实尺度导管螺旋桨的敞水性能数值模拟

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1、实尺度导管螺旋桨的敞水性能数值模拟陈天福王永生庞之洋（海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033）摘要：为了避免尺度效应带来的影响，借助于计算流体力学软件，采用结构化网格和非结构化网格相结合的计算方法，进行了实尺度导管螺旋桨的敞水性能数值模拟，计算结果能够满足实尺度导管螺旋桨敞水性能预报的工程精度要求，与试验结果进行对比，最大误差在7%以内。通过对5组不同交界面的位置进行比较，得出了交界面位置对导管螺旋桨的水动力计算具有较大影响的结论。.jyqkm，厚度变化率为1.2；考虑到物体对流动的影响程度，经过反复探索后，最终桨叶最大尺寸设置为8mm，桨毂为12mm，导管内壁为1

2、0mm，并对桨叶边缘进行加密，桨叶随边最大尺寸为0.8mm，叶顶为1.5mm，导边设置线网格尺寸为1.2mm，以便更好地捕捉流动信息。参数设置完毕后，生成网格如图2所示，单通道总节点数为125万。而外域为了使网格尽可能模拟出真实流场，在流动剧烈的地方需进行网格加密，导管壁面第一层网格设置为0.05mm，对于其他位置，靠近桨毂和导管的地方进行适当加密，如图3所示。1.3边界条件计算区域的边界包括入口边界、出口边界、螺旋桨和桨榖及导管表面。具体的边界设置为：入口边界取为进口速度边界，给定均匀来流的速度值，但在系泊工况时入口设为Open压力边界条件；出口边界设为压力出口，设置相对

3、的平均静压为0，也是在系泊工况时设为Open压力边界条件；圆柱面和桨榖设置为自由滑移的壁面，即不受扰动影响；螺旋桨和导管表面设置为无滑移不可穿透的壁面，并加上粗糙度0.03mm；对于旋转部分的旋转速度设为螺旋桨的转动速度；单通道相互之间、旋转内域与结构化外域之间用界面进行匹配对接，即界面上所有节点都是两者共有的节点，从而较好地保证了计算网格的连续性；旋转域和静止域之间的动静耦合通过设置FrozenRotor交界面实现，采用GGI技术以实现这两个计算域的数据耦合条件，保证其在公共边界上的连续光滑条件。2数值计算结果与分析2.1敞水性能曲线计算结果与试验对比本文对定转速n=31

4、6r/min，螺旋桨进速J=0～0.7（间隔0.1）进行了计算。在这里通过固定转速、改变进速的办法来改变进速系数J。数据处理中推力系数KTC、扭矩系数10KQC、推进效率ηOC分别按下式计算：计算结果与试验结果对比如表2所示，并绘制成图谱（图4）。表中下标带C的为计算值，下标带M的为试验值。导管桨的推力部分由桨叶和导管共同提供，在低进速系数时甚至可以贡献总推力的一半，桨叶和导管推力系数与试验值对比如表3所示。为便于寻找规律性，对J=0.1～0.7的各工况除进速J外对所有边界条件均采用了相同的设置，所以J=0.1～0.7的曲线段是光滑圆顺的，具有很强的规律性。从图4中可以看出

5、，总体趋势是符合敞水效率曲线的。从图表上可看出，在J=0～0.5之间计算所得结果与试验获得的敞水性能曲线吻合度较好，KTC、KQC的最大误差分别低于6.4%和4%，而在进速系数为0.6和0.7时，误差较大，因为此时导管处于负推力状态，位于第四象限，故很难模拟准确。通过表3可以看到桨叶推力模拟得较为准确，而导管推力则误差普遍较大，目前很少有文献给出导管推力数据及原因分析，本文2.2节对于如何准确计算导管推力进行了探索。2.2导管推力计算由2.1节可看出此种设置时计算的导管推力误差较大，而导管主要受力为摩擦阻力和粘压阻力，与流场和压强分布有较大关系，分析后认为旋转域的交界面位置

6、对导管推力及桨叶推力和力矩有影响，选择在进速系数J=0.4的工况下交界面的位置对导管螺旋桨敞水性能的影响进行研究。由于导管外部在实际中是没有旋转的，故旋转区域的交界面只能取在导管内部。笔者对交界面的位置设置了5组进行对比，如图5所示，其中图5（a）为前面计算敞水性能时所采用的模型，此时交界面的位置凭借经验设置，使其在导管内面而距离桨叶足够的距离，保证对桨叶的水动力计算准确；图5（b）的前后交界面距中心均为200mm；图5（c）的前后交界面距中心均为300mm；图（d）的前交界面距中心为200mm，后交界面距中心为300mm；图5（e）的前交界面距中心为200mm，后交界面距

7、中心为250mm。保持网格数量和边界条件设置不变，仅改变交界面位置，计算结果如表4所示。从表4可以看出，交界面位置的设定对导管螺旋桨的模拟具有较大影响。从图5（b）可以看出，当交界面靠近桨叶时，导管推力模拟比较精准，但桨叶推力与力矩则误差较大；而交界面距离桨叶较远时，桨叶推力与力矩模拟较为准确，但导管推力则产生较大变化；在前交界面靠近桨叶、后交界面距桨叶适中（例如e）时，桨叶和导管推力基本能够满足精度要求。这是因为导管桨的数值模拟不仅仅要考虑对桨叶的模拟，还需要考虑导管，故旋转内域太大时，即交界面距桨叶较远，流体的