船体黏性非均匀伴流场中螺旋桨

第２４卷第２期２００９年３月

水动力学研究与进展

ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＨＹＤＲＯＤＹＮＡＭＩＣＳ

ｖ０１．２４，Ｎ０．２Ｍａｒ．。２００９

文章编号Ｉ１０００－４８７４（２００９）．０２．０２３２．１０

船体黏性非均匀伴流场中螺旋桨非定常水动力性能预报研究水

沈海龙，苏玉民

（哈尔滨工程大学水下机器人技术国防科技重点实验室，黑龙江哈尔滨１５０００１，

Ｅ—ｍａｉｌ：ｓｈｅｎｈａｉｌｏｎｇ＠ｈｒｂｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ）

■耍：采用滑移网格技术模拟螺旋桨的旋转，使用ＣＦＤ前处理软件ＩＣＥＭＣＦＤ划分流场网格，运用基于求解ＲＡＮＳ方程的ＣＦＤ软件数值模拟了螺旋桨的水动力性能。预报了均匀流场中三个不同类型螺旋桨的水动力性能。针对非均匀伴流场采用两种不同的处理方法，研究了两个不同螺旋桨的非定常水动力性能。讨论了基于滑移网格技术的网格划分方法、边界层网格的处理方法和计算稳定性的判断方法等影响计算精度的关键因素，分析了不同湍流模式对预报结果的影响。预报结果显示，船体伴流场的不均匀性导致了桨叶表面压力分布随桨叶的位置不同而发生变化，且计算值和试验值吻合的很好。

关ｔ词：ＣＦＤ；滑移网格；螺旋桨性能；湍流模式；网格划分：非均匀伴流场；Ｙ＋值中图分类号：Ｕ６６１．３１３

文献标识码：Ａ

Ｓｔｕｄｙｏｆｐｒｏｐｅｌｌｅｒｕｎｓｔｅａｄｙｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ

ｌｎＳｎｉｐⅥＳＣＯＵＳｎｏｎ－ＵｎｉｉｏｒｍＷａＫｅ

■

ｌ■

●

■ｎ

ｌ

ＳＨＥＮＨａｉ—ｌｏｎｇ，ＳＵＹｕ—ｍｉｎ

（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂｏｒａｔｏｒｙｏｆＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＶｅｈｉｃｌｅ，

ＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５０００１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒ

ｐｒｅｓｅｎｔｓｕｓｉｎｇｔｈｅｓｌｉｄｉｎｇｍｅｓｈｔｅｃｈｎｉｑｕｅ

ｔｏ

ｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｒｏｔａｔｉｏｎｏｆｐｒｏｐｅｌｌｅｒａｎｄＣＦＤｐｒｅ－ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ

ＩＣＥＭＣＦＤ

ｔｏ

ｐａｒｔｉｔｉｏｎｔｈｅｆｌｏｗｆｉｌｅｄｍｅｓｈｉｎ

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓＷａＳ

ＲＡＮＳｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｕｎｓｔｅａｄｙｐｒｏｐｅｌｌｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅ

ｅｍｐｌｏｙｅｄｔｏ

ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｔｕｄｙｔｗｏ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｒｅｅ

ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ

ｉｎｕｎｉｆｏｒｍｗａｋｅ．Ｔｗｏｄｉｆｆｅｒｅｎｔｍｅｔｈｏｄｓｗｅｒｅ

・收藕日期：２００８．０８—１４（２００８．１２．２２修改稿）

基金项目。水Ｉ－Ｗ能机器人技术国防科技重点实验室资助作者简介ｔ沈海龙（１９７８－－），男，讲师，博士研究生．

万方数据　

沈海龙，等：船体黏性非均匀伴流场中螺旋浆非定常水动力性能预报研究

２３３

ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ’ｕｎｓｔｅａｄｙ

ａｒｅ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

ｉｎ

ｎｏｎ—ｕｎｉｆｏｒｍ

ｗａｋｅ．Ｔｈｅｋｅｙｆａｃｔｏｒｓｔｈａｔｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ

ｏｎ

ａｎａｌｙｚｅｄ

ｗｈｉｃｈｉｎｃｌｕｄｅｔｈｅｍｅｓｈｐａｒｔｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄ

ｔｈｅｓｌｉｄｉｎｇｍｅｓｈ

ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，ｔｈｅｄｉｓｐｏｓａｌ

ａｒｅ

ｍｅｔｈｏｄｏｆｂｏｕｎｄａｒｙ

ｗｈｉｃｈｉｎｆｌｕｅｎｃｅｔｈｅ

ｌａｙｅｒｍｅｓｈ

ａｎｄｔｈｅｊｕｄｇｍｅｎｔ

ｍｅｔｈｏｄｏｆｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌｓ

ｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｉｎｇｏｏｄａｇｒｅｅｍｅｎｔｗｉｔｈｔｈｅ

ａｎａｌｙｚｅｄ

ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓ．Ｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｅｄ

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＦＤ；ｓｌｉｄｉｎｇ

ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓ．

ｓｈｉｐ

ｍｅｓｈ；ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅｍｏｄｅｌ；ｍｅｓｈｐａｒｔｉｔｉｏｎ；ｎｏｎ－ｕｎｉｆｏｒｍｗａｋｅ；Ｙ＋ｖａｌｕｅ

ｌ引言

通过求解三维黏性不可压缩雷诺平均纳维一

能在最近几年得到了快速的发展…，并取得了较好的预报结果，这使得把螺旋桨直接放在船体伴流场中来考察其与船体甚至舵的相互作用下螺旋桨的的性能预报需要首先解决三个关键问题，第一是船能精确预报；第三是船体伴流场中螺旋桨和船体的时螺旋桨以某转速旋转。

在螺旋桨敞水性能的精确预报这个关键问题

究，获得了较好的预报结果；刘志华【５ｌ等人使用单目前的预报精度可以满足研究的要求，然而，无论是单旋转坐标系还是多运动参考坐标系，都无法解决船后螺旋桨非定常性能预报时桨和船体的相对显然，目前国内学者研究螺旋桨［１－６１所采用的方万　

方数据论了完全忠实于试验桨的三维螺旋桨几何建模方法、基于滑移网格技术的网格划分方法、边界层网格的处理方法、壁面Ｙ＋值和计算稳定性的判断方法等影响计算精度的关键因素，分析了不同湍流模式对预报结果的影响。

２计算模型

２．１研究对象的几何模型

均匀流中的三个螺旋桨分别是ＤＴＲＣ４８４２螺旋桨、某散货船的ＰＨＳ螺旋桨和某集装箱船的ＫＰ５０５螺旋桨，非均匀伴流场中的两个桨则是Ｓｅｉｕｎ—ＭａｒｕＨＳＰ螺旋桨和某集装箱船的ＫＰＳ０５螺旋桨。四个螺旋桨的参数如表１所示，几何外形分别如图１、图２、图３和图４所示。

图１ＤＴＲＣ４８４２螺旋桨

图２ＰＨＳ螺旋桨斯托克斯方程（凡州Ｓ）来预报螺旋桨的水动力性

水动力性能变得可能。然而，船体伴流场中螺旋桨后尾流场的精确预报；第二是孤立螺旋桨的敞水性这种组合，采用什么样的技术来实现船体静止而同上，国内学者蔡荣剁２１、冯学梅【３Ｊ在其文章中利用

螺旋桨的周期性，取单个桨叶所在的单通道作为计算域，采用单旋转坐标系模型，使用Ｆｌｕｅｎｔ软件数值模拟了螺旋桨的性能，其计算结果和试验相比误差可控制在１０％以内；刘健全【４Ｊ等人使用ＣＦＸ求解器，采用多运动参考坐标系对某导管螺旋桨展开研旋转坐标系模型预报了六个不同螺旋桨的水动力性能，其最大误差可控制在７％以内。总的来看，运动问题。

法必须加以改进，才能实现船体伴流场中螺旋桨的非定常性能研究，基于这一考虑，本文采用滑移网格技术，使用基于求解ＲＡＮＳ方程的ＣＦＤ软件数值预报了均匀流场和非均匀伴流场中螺旋桨的非定

水动力学研究与进展２００９年第２期

寰Ｉ螺旋桨的参数

中，有两种技术可以实现螺旋桨的旋转运动。一种是使用相对运动坐标参考系来实现螺旋桨在流场中的旋转，该技术只适用于螺旋桨的定常模拟；另一种是使用滑移网格技术来模拟实际流场中螺旋桨的旋转运动。相对运动坐标参考系模型包括单旋转运动参考坐标系模型和多运动参考坐标系模型，两者都假定流场是定常的，从而使问题简化。

图３ＫＰ５０５螺旋桨

图５静止区域和滑动区域交界面网格

本文为实现非均匀流中螺旋桨的非定常模拟，

图４Ｓｅｉｕｎ．ＭａｒｕＨＳＰ螺旋桨

采用滑移网格技术模拟螺旋桨的旋转运动，该技术认为流场是非定常的，数值模拟完全忠实于流场中旋转物体间十分强烈的相互作用，从而保证了数值

在生成几何模型时，首先使用Ｆｏｒｔｒａｎ语言编写的面元法程序计算出螺旋桨表面的型值点，然后使用高阶ＮＵＲＢＳ曲线采用插值的方式生成光顺的桨叶和桨毂表面控制曲线，再以这些控制曲线为基础，由高阶ＮＵＲＢＳ曲面生成光顺的三维螺旋桨桨叶和桨毂表面，最终由这些光顺的曲面建立螺旋桨几何模型。采用这种方式建模可保证生成的三维模型完全忠实于原桨模型，从而消除了由于模型误差而带来的计算误差。２．２螺旋桨的旋转模型

实际的螺旋桨在流场中是以～定的转速绕轴旋转的，在目前的基于黏性流场的数值模拟方法

模拟的精确度。滑移网格技术的基本原到７Ｊ是将流

场网格划分成两个大的部分，即静止部分和滑动部分，两部分网格有自己独立的网格形式和网格边界面，两部分边界面的组合称为交界面，如图５所示，静止部分和滑动部分以交界面实现相互滑动，并且不要求交界面两侧的网格节点相互重合，通过计算交界面两侧的通量，使其相等。为了计算交界面的通量，首先在每一个新的时间步上确定出交界面两边交界区的重合面，通过网格重合面的通量由交界面两边交界区的重合面计算。交界面区域是由Ａ—Ｂ、Ｂ．Ｃ和Ｄ—Ｅ、Ｅ．Ｆ所组成，如图６所示。这两个区域的

相交产生ｄ．ｂ、ｂ－ｅ和ｅ—ｃ，两个网格单元区块在ｄ．ｂ、ｂ－ｅ

万方数据　

沈海龙，等：船体黏性非均匀伴流场中螺旋浆非定常水动力性能预报研究

２３５

和ｅ．ｃ上的重叠构成了内部区域。为计算通过单元Ⅲ的通量（Ｄ．Ｅ上），在计算过程中将不考虑Ｄ—Ｅ，而是由ｄ—ｂ和ｂ．ｅ来代替，通过ｄ．ｂ和ｂ．ｅ分别由单元Ｉ和单元ＩＩ把流场信息带入到单元ⅡＩ中。

图６静止网格和滑移网格间数据传递原理

３非均匀伴流场的实现方法

在非均匀伴流场中螺旋桨的非定常数值模拟中，伴流场的非均匀性有多种实现方法，ＴａｋａｙｕｋｉＷＡＴＡＮＡＢＥ［８１曾使用Ｋ一仞湍流模型模拟了非均匀伴流场中孤立螺旋桨的非定常水动力性能，他通过ＦＬＵＥＮＴ软件提供的ＵＤＦ自定义函数来实现伴流场的非均匀性；ＣｌａｕｓＤ．ＳｉｍｏｎｓｅｎｐＪ则将完整的螺旋桨和船体作为一个整体来求解，从而实现伴流场的非均匀性。

图７轴向伴流分数

万　

方数据Ｏ．０６０．０４ｏ．０２

０

吨０２

－０．０４

叁一０．０６

．０．０８—ｏ．１０＿０．１２—０．１４－ｏ．１６

图８径向伴流分数

图９切向伴流分数

图１０船体和ＫＰ５０５螺旋桨模型

’

本文同时采用了ＴａｋａｙｕｋｉＷＡＴＡＮＡＢＥ和Ｃｌａｕｓ

Ｄ．Ｓｉｍｏｎｓｅｎ实现非均匀伴流场的方法，分别

计算了非均匀伴流场中Ｓｅｉｕｎ—ＭａｒｕＨＳＰ螺旋桨和某集装箱船ＫＰ５０５螺旋桨的非定常水动力性能。在

Ｓｅｉｕｎ—ＭａｒｕＨＳＰ螺旋桨的数值模拟中，通过

ＦＬＵＥＮＴ软件提供的ＵＤＦ自定义函数将作者编写

的非均匀伴流场控制程序与求解器结合起来，最终

水动力学研究与进展２００９年第２期

实现非均匀伴流场中螺旋桨的非定常数值模拟，非均匀伴流场的伴流分数【ｌｏＪ如图７、图８和图９所示，图中０。在桨盘面正上方，相应的１８０。在其正下方。在某集装箱船ＫＰ５０５螺旋桨的数值模拟中，则将该集装箱船的船体和ＫＰ５０５螺旋桨作为一个整体来求解，如图１０所示。

图１ｌ船体和螺旋桨的流场网格

４网格的划分与边界条件的设置

４．１网格的划分

根据滑移网格技术模拟螺旋桨旋转运动的特点，需要将流场分为完全静止的部分和绕桨轴旋转的部分。在船体和螺旋桨的整体求解中，将整个流场设置成长方体和包含在长方体内的圆柱体两部分，船体包含在长方体内和长方体一起静止不动，圆柱体包含螺旋桨，并和螺旋桨一起以给定的转速绕桨轴旋转，模拟螺旋桨的实际转动，包含船体的静止部分和包含螺旋桨的旋转部分如图１１所示，整个计算域共生成６９７万个网格，其中转动部分２０４万个网格，静止部分４９３万个网格，包含船体静止部分的网格划分完全参考国内学者沈海龙的方法…ｌ。在孤立螺旋桨的非定常研究中，整个流场设置成圆柱形，外圆柱静止不动，模拟实际流场，内圆柱包含螺旋桨，和螺旋桨一起以给定的转速旋转，模拟螺旋桨的实际转动，静止部分和转动部分通过界面交换各种物理量并保证其守恒，整个流场共生成３５９万个网格，其中外圆柱生成４３万个六面体网格单元，内圆柱生成３１６万个混合网格单元，如图１２所示，在流场的静止部分使用ＣＦＤ前处理软件

ＩＣＥＭＣＦＤ生成高质量的六面体结构化网格单元。

万　

方数据包含螺旋桨的旋转部分生成非结构混合网格，首先在桨叶及桨毂表面附近生成棱柱体边界层网格单元，然后再以四面体网格单元填充内圆柱剩余部分，并以金字塔形体网格作为过渡连接结构化网格和非结构化网格。

图１２孤立螺旋桨的流场网格

在划分内圆柱网格时，为了更好求解螺旋桨壁面周围的湍流边界层，在桨毂及桨叶周围生成边界层网格是十分必要的【ｌ２，１３】，而且近壁区域网格的质量是湍流模型能否恰当地求解湍流边界层的关键。判断湍流边界层区域网格质量的好坏有两个基本

标准，一个是两个节点之间的最小距离，其中离开壁面的第一个节点与壁面之间的距离最为关键，它是以Ｙ＋值来体现的；另一个是边界层内的最少节点数，即有几层这样的网格。本文实际计算时的Ｙ＋值如图１３所示，而边界层内的节点数一般取３至５个就可以满足计算要求。

图１３壁面Ｙ＋值

４．２边界条件的设量

本文的边界条件分为六个部分，分别是速度入

沈海龙，等：船体黏性非均匀伴流场中螺旋浆非定常水动力性能预报研究

２３７

口（ｉｎｌｅｔ），压力出Ｖｌ（ｐｒｅｓｓｕｒｅｏｕｔ），界面（ｉｎｔｅｒｆａｃｅ），壁面（ｗａｌｌ），对称面（ｓｙｍｍｅｔｒｙ）和远场边界条件。由于不考虑空泡，速度入口处给定来流速度，来流的参考压力设为０，压力出口的静压力设置为０，壁面设为不可穿透的光滑壁面，远场边界条件设置为速度入口，且将速度和参考压力均设为０，对称面（ｓｙｍｍｅｔｒｙ）仅在处理船桨整体模型的静止部分时使用，在该静止部分除了速度入口和压力出口以外，其它外边界均设为对称面。

Ｏ・８Ｏ・７Ｏ・６

载ｉ

香∽

象；

０

图１４ＫＰ５０５螺旋桨的推力系数和力矩系数

３Ｏ２５２Ｏｌ

５ｌＯ

Ｏ

５

Ｏ

０．１

０．３

０．５０－７

Ｊ

图１５ＰＨＳ螺旋桨的推力系数和转矩系数

５计算结果的比较与分析

５．１均匀伴流场中螺旋桨的非定常数值模拟

为验证数值模拟方法的正确性，将计算结果和实验数据做了对比分析。计算中采用改变来流速度大小的方式实现进速系数的变化，螺旋桨的转速保持不变¨４｜。ＫＰ５０５螺旋桨和ＰＨＳ螺旋桨的进速系数在０．１至０．７之间，其不同进速系数下推力系数和转

万　

方数据矩系数的计算值及试验值㈣１６１分别如图１４和图１５

所示。ＤＴＲＣ４８４２螺旋桨的进速系数在０．５至１．３之间，图１６是该桨在不同进速系数下推力系数和转矩系数计算值和试验值‘１７ｌ。

１．２１．００．８

晕

呈０．６

毫０．４

０．２

０

０．５

Ｏ．７

０．９

１．１

１．３

Ｊ

图１６ＤＴＲｃ４８４２螺旋桨的推力系数和转矩系数

通过比较计算值与试验值，我们可以看出，三个螺旋桨的推力系数和转矩系数的计算结果和试验结果吻合的都很好，推力系数的计算误差最大可

控制在４。３％以内，转矩系数的误差最大可控制在７％以内。

５．２非均匀伴流场中孤立曩旋桨的非定常数值模拟

在非均匀伴流场中Ｓｅｉｕｎ—ＭａｒｕＨＳＰ螺旋桨的非定常数值模拟中，时间步长设置为０．００１８３８秒，这样每个时间步螺旋桨旋转１．０度。为了使模拟值和试验值具有可比性，数值模拟的各种条件均和文献【ｌｏｌ一致。

对于均匀流场而言，在某一进速下，螺旋桨的

水动力系数最终趋于稳定，图１７为ＤＴＲＣ４８４２螺旋桨在Ｊ－－０．７时推力系数随计算时间的变化曲线，从图中可以看出，在０．０３４秒之后计算已趋于稳定，可以认为此时的推力系数即为模拟的结果。对于非均匀伴流场而言，由于同一个进速系数下螺旋桨的水动力系数不断变化，因此需要在一个完整的旋转圆周上考察数值模拟的稳定性。因此，提取了某一个桨叶在不同位置的推力系数，比较每个完整阋周上同一位置上同一个桨叶的推力系数，从而判断计算的稳定性，图１８为Ｓｅｉｕｎ—ＭａｒｕＨＳＰ螺旋桨一个桨叶在第二、第三和第四个完整圆周上的推力系数随位置的变化曲线，从图中可以看出，在第三个圆周之后，计算趋于稳定，第三个圆周和第四个圆周的曲线已

５．２．１计算稳定性的判断与分析

２３８

水动力学研究与进展

２００９年第２期

经重合。图１７均匀流场计算的稳定性判断

０．０５５

０．０４５

皂Ｏ．０３５

ｏ．０２５

ｏ．０１５

０

４５

９０

１３５

１８０２２５２７０３１５３６０

｜。

图１８非均匀伴流场计算的稳定性判断

５．２．２湍流模型的比较与分析

Ｔａｋａｙｕｋｉ

ＷＡＴＡＮＡＢＥ曾在其论文【８ｌ中提到使

用Ｋ一∞湍流模型模拟非均匀伴流场中螺旋桨的非定常水动力性能，考虑到Ｋ一∞湍流模型包括标准Ｋ—ｆ．ｏ湍流模型和ＳＳＴＫ一∞湍流模型，论文对这两种Ｋ一∞湍流模型预报非均匀伴流场中螺旋桨的非定常水动力性能做了对比分析，其中包括有剪切流修正的标准Ｋ—ｃｏ湍流模型（简称ｓｆｃＫ一∞湍流模型），如图１９所示，从图中可以看出，标准Ｋ一∞湍流模型和ＳＳＴＫ一∞湍流模型的预报结果差别不大，但是在实际计算中标准Ｋ一∞湍流模型每个时间步所需计算时间最短，所以选取标准Ｋ一∞湍流模型作为数值模拟的湍流模型。

５．２．３非均匀伴流场中螺旋桨的非定常数值模拟结

果

定常蠹裴蓑恭冀嘉鬻箍恭萋筹蜚

定常数值模拟中，详细考察了进速系数瑚．８５时的

推力系数、力矩系数和桨叶表面的压力分布，并和文献值【ｌｏ】做了比较。图２０为非均匀伴流场中整个螺

万　

方数据旋桨在一个完整旋转圆周上的不同转角下的推力系数和力矩系数，并和试验值【ｌｕｊ作了比较。图２ｌ为非均匀伴流场中一个桨叶的推力系数和力矩系数在一个旋转圆周上不同位置处的波动变化，文献值是采用面元法计算得到的。图２２和图２３为一个桨叶在０度和１８０度时，在０．７Ｒ处桨叶叶背和叶面的弦向压力分布，图中０。在桨盘面正上方，相应的１８０。在其正下方。

０．０６００．０５５０．０５０

０．０４５

龟００．．００３４０５

ｏ．０３０

Ｏ．０２５ｏ．０２０

０．０１５

０

４５

９０

１３５

１８０

２２５

２７０３１５３６０

｜‘

图１９湍流模型的比较

从图２０中可以看出，非均匀伴流场中，整个桨的推力系数和力矩系数呈周期性变化，变化周期为３０度，且推力系数的最大值比试验值大７％，力矩系数的最大值比试验值大１０％。图２ｌ中，粘性流场的预报值在３６度至７８度和２１０度至３１８度这两个区

间内和面元法相比，推力系数和力矩系数都偏大，但总体的趋势吻合的非常好。从图２２和图２３可以看出，在０度位置，计算值和试验值吻合的很好，在１８０度的位置，叶背的压力系数分布偏小，叶面的压力分布总体偏大，但总体趋势吻合的很好。

ｎｎｎｎｎ

鼋【．毫

ｎｎ

ｎ仉

图加…５…黼㈣

…～。～。～１球眦不…“”。”“

沈海龙，等：船体黏性非均匀伴流场中螺旋浆非定常水动力性能预报研究

２３９

图２ｌ非均匀流中一个桨叶的推力系数和力矩系数在一个旋转周上不同位置处的波动变化

力性能，计算中采用Ｄｅｔａｃｈｅｄ取９．５

Ｅｄｄｙ

Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ

（ＤＥＳ）湍流模型，船速取２．１９６ｒｎ／ｓ，螺旋桨的转速

ｒｐｓ。

囊２ＫＰＳ０５曩旋桨一个桨叶的推力

图２２０度时螺旋桨０．７Ｒ处的弦向压力系数分布

图２３１８０度时螺旋桨０．７Ｒ处的弦向压力系数分布

表２是一个桨叶在桨盘面不同位置处的推力，

５．３船后螺旋桨的非定常数值模拟

理论上认为，工作于船体伴流场中的螺旋桨，由于进流速度的非均匀性，螺旋桨的每个桨叶在船尾桨盘面的不同位置处，其水动力系数也不相同。为考察船后螺旋桨的这一特性，选取了ＫＰ５０５螺旋桨的一个桨叶观察它在桨盘面不同位置时的水动

其中００在桨盘面的正上方，１８００在桨盘面的正下方。从表中可以看出，粘性力随桨叶位置的改变其数值变化不是十分敏感，这说明船体伴流场对桨盘面湍流边界层的厚度改变不大，但是由于桨叶叶背和叶面的压力差而产生的推力随桨叶位置的改变其变化是非常大的，最大值几乎是最小值的２倍，

万方数据　

水动力学研究与进展

２００９年第２期

这说明船体伴流场对螺旋桨的影响主要体现在进流速度的改变上，由于桨盘面不同位置的进流速度不同，所以导致单个桨叶在桨盘面不同位置处，其推力也不相同。图２４和图２５给出了工作在船后的螺旋桨一个桨叶、４个桨叶、整个螺旋桨５个桨叶推力系数和力矩系数的计算值和试验值ｆ１５１。从图中可以看出，单独考察一个桨叶和剩余４个桨叶时，船体伴流场对其推力系数和力矩系数影响明显，在桨盘面不同位置处，桨叶的推力系数和力矩系数明显不同，但是整个螺旋桨的推力系数和力矩系数在桨盘面的不｜Ｊ位置处变化不大，推力系数在０．１７８附近波动，力矩系数在０．３附近波动，和试验值【ｌ５】相比，推力系数误差最大为６％，力矩系数误差最大为６．２％。

０．

０．

套ｏ．

０．

图２４船体伴流场中ＫＰ５０５螺旋桨的推力系数

量

＋１０厢（１个桨叶）＋ｌＯ脚（４个桨叶）十ｌＯ脚（５个桨叶）－－－Ｏ－－ｉＯ加试验值

６０

１２０

１８０２４０

３００

３６０

卜

图２５船体伴流场中ＫＰ５０５螺旋桨的力矩系数

６

结论

运用通用ＣＦＤ前处理软件ＩＣＥＭＣＦＤ划分流场网格，生成结构化和非结构化多块混合网格，使用基于求解ＲＡＮＳ方程的ＣＦＤ软件作为求解器，采用

万　

方数据滑移网格技术，数值预报了均匀伴流场和非均匀伴流场中不同螺旋桨的水动力性能，得到的结果都和试验值吻合良好。

在均匀伴流场中螺旋桨的非定常水动力性能预报中，推力系数的预报误差最大可控制在４．３％以内，力矩系数的最大误差在７％以内。在非均匀伴流场中螺旋桨的非定常水动力性能预报中，和试验值相比，推力系数的预报误差最大可控制在７％以内，力矩系数的最大误差在１０％以内。孤立螺旋桨的一个桨叶推力系数和力矩系数的预报值从总体上看比文献所使用的面元法偏大，桨叶表面的压力分布和试验值吻合的很好，预报结果的总体趋势和试验值及文献值趋势一致。船后螺旋桨的非定常水动力性能研究表明，船体伴流场对螺旋桨湍流边界层的厚度改变不大，船体伴流场对螺旋桨的影响主要体现在进流速度的改变上，由于桨盘面不同位置的进流速度不同，所以导致单个桨叶在桨盘面不同位置处其表面压力分布也不相同，从而推力也不相同。

参考文献：

【１】

刘应中，张怀新，李谊乐，等．２１世纪的船舶性能计算

和ＲＡＮＳ方程【Ｊ】．船舶力学，２００１，５（５）：６６—８４．

ＬＩＵ

Ｙｉｎｇ—ｚｈｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＨｕａｉ－ｘｉｎ，ＬＩＹｉ—ｌｃ

ｅｔ

ａ１．

ＣａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅＳｈｉｐＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓａｎｄＳｏｌｖｉｎｇｏｆ

ＲＡＮＳＥｑｕａｔｉｏｎｓｉｎｔｈｅ２１ｓｔ

Ｃｅｎｔｕｒｙ『Ｊ】．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｉｐ

Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００ｌ，５（５）：６６—８４．

【２】

蔡荣泉，陈凤明，冯学梅．使用ＦＬＵＥＮＴ软件的螺旋桨敞水性能计算分析【Ｊ】．船舶力学，２００６，ｌＯ（５）：

４１．４８．ＣＡＩ

Ｒｏｎｇ－ｑｕａｎ，Ｃ旺ＮＧ

Ｆｅｎｇ－ｒｕｉｎｇ，ＦＥＮＧＸｕｅ－ｍｅｉ．

Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎａｎｄａｎａｌｙｓｉｓｏｆ

ｔｈｅｏｐｅｎｗａｔｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

ｏｆ

ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｂｙ

ＣＦＤｓｏｆｔｗａｒｅ

Ｆｌｕｅｎｔ［Ｊ１．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｈｉｐ

Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００６，１０（５）：４１・４８．

【３】

冯学梅，陈风明，蔡荣泉．使用ＦＬＵＥＮＴ软件的螺旋

桨敞水性能计算和考察ｆＪ】．船舶，２００６，（１）：１４—１９．

ＦＥＮＧＸｕｅ—ｍｃｉ，ＣＨＥＮＧ

Ｆｅｎｇ—ｍｉｎｇ，，ＣＡＩＲｏｎｇ－ｑｕａｎ．

Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｐｒｏｐｅｌｌｅｒ

ｏｐｅｎ

ｗａｔｅｒ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ

ｂｙ

ＣＦＤｓｏｆｔｗａｒｅ

Ｆｌｕｅｎｔ［Ｊ］．ＳＨＩＰ＆ＢＯＡＴ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２００６．

（１）：１４－１９．

【４】

刘建令，刘卫斌．基于ＣＦＤ方法的螺旋桨敞水数值实验研究【Ｊ１．中国水运，２００７，２００６，７（２）：４２—４４．

ＬＩＵ

Ｊｉａｎ－ｑｕａｎ，ＬＩＵＷｅｉ—ｂｉｎｇ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙＯｉｌｔｈｅｐｒｏｐｅｌｌｅｒｏｐｅｎｗａｔｅｒｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂａｓｅｄｏｎＣＦＤｍｅｔｈｏｄＩＪ］．ＣｈｉｎａＷａｔｅｒＴｒａｎｓｐｏｒｔ．２００７，７（２）：４２—４４．

【５】

刘志华，雄鹰，等．基于多块混合网格的ＲＡＮＳ方法预报螺旋桨敞水性能的研究ｌＪ】－水动力学研究与进展，Ａ辑，２００７，２２（４）：４５０－４５６．

ＬＩＵＺｈｉ—ｈｕａ，ＸＩＯＮＧＹｉｎｇ

ｅｔ

ａ１．Ｓｔｕｄｙ

ｏｎ

ｔｈｅｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ

沈海龙，等：船体黏性非均匀伴流场中螺旋浆非定常水动力性能预报研究

２４１

ｏｆ

ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｏｐｅｎ－ｗａｔｅｒ

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｕｓｉｎｇ

ＲＡＮＳ

ｆｏｒｍｕｌａａｎｄｍｕｌｔｉ－ｂｌｏｃｋｈｙｂｒｉｄｍｅｓｈｅｓ阴．Ｊｏｕｒｎａｌｏｆ

ｈｙｄｒｏｄ

ｙｌ硷ｍｉｃｓ，Ｓｃｒ．Ａ．２００７，２２１４）：４５０－４５６，

［６】６

张志荣，李百齐．赵峰．螺旋桨／船体粘性流场的整体数值求解［Ｊ】．船舶力学，２００４，８（５）：１９．２６．

ＺＨＡＮＧＺｈｉ－ｒｏｎｇ，ＬＩＢａｉ—ｑｉ，ＺＨＡＯＦｅｎｇ．Ｉｎｔｅｇｒａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ

ｏｆ

ｖｉｓｃｏｕｓ

ｆｌｏｗａｒｏｕｎｄ

ｓｈｉｐ

ｈｕｌｌ

ｗｉｔｈ

ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ

ｏｆ

Ｓｈｉｐ

Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，２００４，８（５）：１９－２６．

姚震球，高慧，杨春蕾．基于滑移网格的带螺旋桨艇体尾流场数值分析方法［Ｊ】．江苏科技大学学报（自然科学版），２００８，２２（２）：１５．２０．

ＹＡＯ

Ｚｈｅｎ．ｑｉｕ．ｅｔ

ａ１．ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆ

ＩｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎＳｕｂｍａｒｉｎｅａｎｄＰｒｏｐｅｌｌｅｒＢａｓｅｄｏｎ

Ａｐｐｒｏａｃｈ

ｏｆ

Ｓｌｉｄｉｎｇ

Ｍｅｓｈ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ

ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｎａｔｕｒａｌ

Ｓｃｉｅｎｃｅ

Ｅｄｉｔｉｏｎ），．２００８，２２（２）：１５－２０．

【８】

Ｔ：ＡＫＡＨ７ＫＩⅥ硝ＴＡＮＡＢＥ，ＴＡＫＡＦＵＭＩＫＡｗＡＭＩ瓜Ａ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｔｅａｄｙａｎｄｕｎｓｔｅａｄｙｃａｖｉｔａｔｉｏｎｏｎａ

ｍａｒｉｎｅ

ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ

ｕｓｉｎｇ

ａ

ｒａｎｓｃｆｄ

ｃｏｄｅ［Ｃ］．ＦｉｆｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎ

Ｃａｖｉｔａｔｉｏｎ，Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，

２００３．１－８．

【９】

ＳＩＭＯＮＳＥＮＣＤ．ｅｔａ１．ＲＡＮＳＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｌｏｗａｒｏｕｎｄ

ａ

ｓｈｉｐａｐｐｅｎｄｅｄｗｉｔｈｒｕｄｄｅｒ．ｉｃｅ

ｆｉｎｓａｎｄ

ｒｏｔａｔｉｎｇ

ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ【Ｃ】．１

ｌｔｈ

Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ

ＴｏｗｉｎｇＴａｎｋ

Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ２００８．Ｂｒｅｓｔ／Ｆｒａｎｃｅ：５３—５８【ｌＯ】

ＴＥＴＳＵＪｌＨＯＳＨＩＮＯ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ

ｄａｔａｆｏｒｕｎｓｔｅａｄｙ

ｐａｎｅｌ

ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ

ａｎｄ

ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓ（ｓｅｉｕｎ－ｍａｒｕ

ｈｓｐ）［Ｃ］．２２ｒｉｄ

ｉｔｔｃ

ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ

ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ

ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ

ｒａｎｓ／ｐａｎｅｌｍｅｔｈｏｄｗｏｒｋｓｈｏｐ．

万　

方数据【ｌｌ】沈海龙，苏玉民．肥大型船伴流场数值模拟的网格划

分方法研究【Ｊ】．哈尔滨工程大学学报，２００８，２９（１１）：

】１９０．１１９８．

ＳＨＥＮＨａｉ—ｌｏｎｇ．ＳＵ

Ｙｕ．ｍｉｎ．Ｍｅｓｈｐａｒｔｉｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｆｏｒ

ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｓｏｆｆｕｌｌｆｏｒｍ

ｓｈｉｐｓ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００８，

２９（１１）：１１９０．１１９８．

【１２】ＫＡＬＩＴｚｒＮＧＭＥＤＩＣＧ

ＩＡＣＣＡＲＩＮ０Ｇ

ｅｔａ１．

Ｎｅａｒ－ｗａｌｌｂｅｈａｖｉｏｒ

ｏｆＲＡＮＳｔｕｒｂｕｌｅｎｃｅ

ｍｏｄｅｌｓａｎｄ

ｉｍｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ

ｆｏｒ

ｗａｌｌ

ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ［Ｊ］．

Ｊｏｕｒｎａｌ

ｏｆ

Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ

Ｐｈｙｓｉｃｓ，２００５，（２０４）：２６５－２９１．

【１３】ＥＧＥＲＴＯＮ

ＪＯ，ＲＡＳＵＬ

ＭＧＢＲＯＷＮＲＪ．ＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＵｎｄｅｒｗａｔｅｒＰｒｏｐｅｌｌｅｒＶｅｌｏｃｉｔｙＰｒｏｆｉｌｅ

ｕｓｉｎｇｔｈｅＣＦＤ

Ｃｏｄｅ

ＦＬＵＥＮＴ【Ｃ１．１６ｔｈ

Ａｕｓｔｒａｌａｓｉａｎ

Ｆｌｕｉｄ

ＭｅｃｈａｎｉｃｓＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２００７．７７７．７８１．

【１４】ＲＨＥＥＳ

Ｈ，ＪＯＳＨＩＳ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ

Ｖａｌｉｄａｔｉｏｎｆｏｒｆｌｏｗ

ａｒｏｕｎｄ

ａ

ｍａｒｉｎｅ

ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｕｓｉｎｇｕｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄｍｅｓｈｅｄ

ｂａｓｅｄｎａｖｉｅｒ－ｓｔｏｋｅｓｓｏｌｖｅｒ［Ｊ］．ＪＳＭＥＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＪｏｕｒｎａｌ，

Ｓｅｔ．Ｂ，２００５，４８（３）：５６２—５７０．

【ｌ５】ＦＵＪＩＳＡｗＡ

Ｊ，ｅｔａ１．Ｌｏｃａｌ

Ｖｅｌｏｃｉｔｙｆｉｅｌｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ

ａｒｏｕｎｄｔｈｅｋｃｓｍｏｄｅｌ（ＳＲＩＭ．ＳＮＯ．６３ｌ、ｉｎｔｈｅＳＲＩ４００ｍ

ｔｏｗｉｎｇ

ｔａｎｋ［Ｒ］．

ＳＰＤ

Ｒｅｐｏｒｔ

Ｎｏ．００—００３－０２，Ｓｈｉｐ

ＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＤｉｖｉｓｉｏｎ，ＳｈｉｐＲｅｈａｓｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ。２０００．

［１６】ＹＡＮＧ

Ｂｏ，ＣＨＥＮ

Ｊｉａｎ－ｔｉｎｇ，ＤＯＮＧＧｕｏ—ｘｉａｎｇ．Ｒｅｐｏｒｔ

ｏｆ

ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ

ｃａｖｉｔａｔｉｏｎａｎｄ

ｅｘｃｉｔｅｄｆｏｒｃｅｔｅｓｔ

ｆｏｒ

ｐｒｏｐｅｌｌｅｒＰＨＳ０１［Ｒ】．Ｓｈａｎｇｈａｉ

Ｓｈｉｐ

ａｎｄ

Ｓｈｉｐｐｉｎｇ

ＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ．２００６．

Ｙｕ－ｒａｉｎ．ＡＳｔｕｄｙ

ｏｎ

ｄｅｓｉｇｎｏｆ

ｍａｒｉｎｅｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓｂｙ

ｌｉｆｔ．ｂｏｄｙ

ｔｈｅｏｒｙ【Ｄ１．Ｄｏｃｔｏｒｔｈｅｓｉｓ，ＹｏｋｏｈａｍａＮａｔｉｏｎａｌ

Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｍａｒｃｈ，１９９９．５０．

【１７】ＳＵ