使用Fluent软件的螺旋桨敞水性能计算和考察

2006年2月第1期

船　　舶

SH IP &BOA T February, 2006

NO. 1

[研究与设计]

使用F luen t 软件的螺旋桨敞水性能计算和考察

冯学梅1　陈凤明2　蔡荣泉1

(1708研究所　上海　200011　　2西北工业大学　西安　710072)

　　[关键词]螺旋桨; 敞水; CFD

①

[摘　要]船舶性能CFD 计算领域有必要尽快形成螺旋桨敞水性能CFD 计算的快速预报能力, 以快速响应用

户的需求, 使CFD 成为螺旋桨设计的手段之一, 并利用这一手段, 发挥CFD 计算结果信息量大的特点, 对螺旋桨进行相关的性能考察计算。文章介绍了708研究所利用F luent 软件在螺旋桨敞水性能计算中的计算流程, 以某船所使用的侧斜反弯扭桨作为研究对象, 给出了敞水性能曲线的计算结果, 并与试验测量值作了比较同时还介绍了对此桨的性能情况所进行的一些数值计算考察。

[中图分类号]U 66117　　[文献标识码]A 　　[文章编号2(2006performance

tware FL UENT

ei 　Chen Fengm ing 　Cai Rongquan

Keywords :P rop eller ; Open W ater ; CFD

Abstract :M odern CFD calcu lati on of sh i p perfo r m ance needs to have the cap ab ility of qu ick p redicti on of p ropeller op en w ater perfo r m ance in o rder to p rovide qu ick respon se to cu stom er enqu iry , and to m ake CFD one of the m ean s of p ropeller design . Suppo rted by its featu res of m ass info r m ati on from CFD calcu 2lati on resu lts , it can be also u sed to calcu late and investigate relevan t p ropeller p erfo r m ance . T he paper p resen ts the w o rk done in M A R I C to run the CFD softw are FLU EN T to calcu late the open w ater perfo r 2m ance of the p ropeller , the p rocess of calcu lati on , the resu lts of calcu lati on on open w ater perfo r m ance cu rve of a p ropeller w ith h igh skew and rake ti p designed fo r a new bu ilding design and a com p arison w ith the trial m easu rem en t . T he related calcu lati on and investigati on on the open w ater behavi o r of th is p ro 2p eller is also repo rted .

与此敞水试J 的变化规律, 即螺旋桨敞水性征曲线。

1　前　言

螺旋桨模型单独地在均匀水流中试验称为敞水试验。由螺旋桨敞水试验得到的是螺旋桨的推力系数K T 、扭矩系数K Q 和敞水效率Γ0相对于进速系数验相对应的船舶计算流体力学CFD 计算工作, 我们

称之为螺旋桨敞水性能计算。

对螺旋桨设计方案的试验验证包括敞水试验和自航试验。敞水试验既是自航试验必须的配套试验项目, 又是进行螺旋桨系列试验的主要手段, 用以开发设计图谱并就螺旋桨诸要素对性能的影响进行系

①[收稿日期]2005-11-1

[作者简介]冯学梅(1976. 8-) , 女, 山东济南人, 在读博士研究生, 研究方向:船舶流体力学。

陈凤明(1970. 12-) , 男, 湖北仙桃人, 博士, 讲师, 研究方向:气体动力学。蔡荣泉(1944. 9-) , 男, 上海人, 研究员, 博士生导师, 研究方向:船舶流体力学。

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使用F luent 软件的螺旋桨敞水性能计算和考察

统分析。由此, 相对应的螺旋桨敞水性能计算是螺旋桨性能数值计算工作中的重要一环。

一般说来, 桨叶剖面的前、后缘相对其弦中部位, 压力分布的计算值与测量值的偏差很大, 这使得阻力与升力相比计算值与测量值偏差较大。推力是阻力和升力的合力, 相比于阻力, 偏差也就较小。阻力对推力贡献愈小的桨叶, 偏差愈小。故而, 桨叶推力系数比之船体阻力系数, 易于得到好的计算效果。另一方面, 在相对坐标系中, 敞水条件下的螺旋桨绕流, 呈现定常流动状态。而由于周期性, 对于Z 个叶片的桨, 仅需关注沿周向的Z 分之一部分, 即计算区域沿周向可以取得较小, 计算量并不很大。特别是, 在这一计算过程中, 并不存在如绕船体流动计算中, 人们关注的标称伴流分布预报值的精度尚严重受制于紊流模式的发展情况, 更不存在自由面效应问题。同时, 尽管与迭模裸船体绕流计算相比起步较晚, 十年的研发。由此, , , 有必要对这一项目开发出一定的计算流程, 尽快达到螺旋桨敞水性能CFD 计算的快速预报能力, 以满足用户的需求, 使CFD 成为螺旋桨设计的手段之一, 并利用这一手段, 发挥CFD 计算结果信息量大的特点, 对螺旋桨进行相关的性能考察计算。

本文以某船所使用的侧斜反弯扭桨作为研究对象, 介绍了708研究所利用F luen t 软件在螺旋桨敞水性能计算中的计算流程, 给出敞水性征曲线的计算结果, 并就试验测量值作了比较。本文还介绍了针对此桨的性能情况所进行的一些数值计算考察工作, 并给出了计算结果。

原始的型值点数据转换为特定的格式数据, 然后输入到与F luen t 软件配套的前置处理器Gam b it 软件, 进行实体几何建模。基于由二维转换为三维的需要, 需对型值表进行补充, 对桨叶叶根及叶梢处插值进行修正。如此, 完全借助于Gam b it 软件, 即可快速生成高阶N u rb s 曲面构造的螺旋桨。图1所示即为反弯扭桨的几何模型图。其中, z 轴与螺旋桨旋转轴一致, 以船艏为正向; y 轴与桨叶参考线一致; x 轴服从右手系

。

图1　螺旋桨几何模型

2. 2　计算域与网格剖分

鉴于来流均匀和螺旋桨几何上的周期性, 为进

行敞水计算, 只需取单个桨叶所在的单通道(周向展) 作为计算域即可进行计算分析, 由此可节省开72°

计算时间, 提高计算效率。单桨叶通道计算域的内、外边界面取在桨毂和直径为螺旋桨直径数倍的圆柱体表面上, 且主要呈螺纹条状; 进、出口面为72°的扇面; 周向侧面由螺纹面和进、出口面附近的子午面组成。具体切分情况见图2。

对计算域空间划分网格时, 桨叶壁面附近, 沿桨叶壁面外法线方向向外按比例伸张, 设置5层边界层网格, 此外的计算域空间网格全部采用四面体网格进行剖分, 网格总数约75万。

对单桨叶通道计算域剖分所得的网格见图3, 桨叶壁面的网格见图4。2. 3　边界条件

2　数值计算过程

2. 1　螺旋桨几何模型的生成

本文研究的螺旋桨为5叶片的侧斜反弯扭桨, 其盘面比为0. 8, 毂径比为0. 197, 毂长比为0. 4724。侧视时, 叶片沿径向变化表现为由小半径到大

半径先前倾再后倾, 在0. 85R 处带弯凸, 从而使得吸力面呈凸面, 压力面呈凹面, 与正弯扭桨的特征正好相反。

根据实际需要, 采用自主编写的计算程序, 将

螺旋桨的敞水计算中, 整个计算区域均相对某个参考坐标系作旋转运动, 因此可选用F luen t 软件提供的单运动参考坐标系模型(即SR F 模型) [1]。

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子午面和螺纹面组成的周期性边界置为旋转周期性边界; 计算域内的流体则按SR F 模型, 置为绕z 轴以角速度n 旋转。

3　数值计算结果的考察分析

3. 1　敞水性能曲线计算结果与试验的对比

为与相应的试验结果进行比较, 本部分计算螺

2

旋桨直径D 取为0. 25m , 其转速n 为15r s (nD =0. 9375) , 进速系数J 的范围为0. 5～1. 05, 进速系

数J 的变化由改变进速V A 实现, 而转速n 保持不

图2　5

个周期性单通道计算域

变。所选反弯扭桨的有关参数见表1。

1. 1. 5903

0. 800. 87

工作点

0. 9751. 1

计算所得的敞水性能曲线及与试验结果的比较见图5。其中:

进速系数推力系数

图3

　计算域边界面上的网格

扭矩系数敞水效率

nD K T =24

Θn D K Q =25

Θn D ・Γ0=

K Q 2ΠJ =

这里, Θ为密度, T 为推力, Q 为扭矩。由图5可见, 桨敞水性能曲线的数值计算与试验结果吻合良好。在设计点J ≈0. 975处, 推力系数扭矩系数K Q 、敞水效率Γ0的计算结果与试验偏K T 、

差分别为-5%、-3%、-3%。与试验结果曲线比, 计算所得K T ～J 线斜率的绝对值稍偏大, 两者在J ≈0. 8附近相交。K Q ～J 线相比试验结果, 斜率的绝对值同样稍偏大, 两者在J ≈0. 9附近相交。而对于Γ0～J 线, 当J

图4　桨叶壁面网格

本重叠, 其相对偏差小于1%; 在0. 8≤J ≤0. 95间, 其一致性也可接受, 偏差在5%以内; 但当J >0. 95时, 计算结果与试验偏差变大, 尤其J =1. 05时偏差达到10%; 另外, J ≥0. 8时, 与试验结果相比均为负偏差, 其峰值在J =0. 95处。

总的来说, 在考察的进速系数范围内(0. 5～

在进口边界处设置为速度进口条件, 给定均匀来流的各速度分量; 出口边界给定表压为0, 即与参考点静压相等; 圆柱体表面上远场外边界同样设为速度进口边界; 而单桨叶通道的两个周向侧面, 即由16

使用F luent 软件的螺旋桨敞水性能计算和考察

图5　反弯扭螺旋桨敞水性能曲线

2

(n =15r s , D =0. 25m , nD =0. 9375)

1. 05) , 特性曲线的计算结果与试验结果在J =8

处吻合得最理想。推力系数K T 、K Q , 偏差; 在5J 1. 0后偏差过大, 是否与J 较大时试验结果的精

度有关, 待查。

3. 2　雷诺数影响的初步考察

一般认为存在一个临界雷诺数R e , 当试验状态的雷诺数超于临界雷诺数时, K T 、K Q 、Γ0几乎与雷诺数变化无关, 从而对尺度效应一般可不予考虑。即对相同的进速系数J 而言, 实桨与模型桨将有相同的K T 、K Q 、Γ0值; 或当实桨状态的雷诺数比模型桨测量状态的雷诺数大得多时, 作一些经验修正。

本部分工作对nD 2=0. 5275, 0. 9375, 1. 0, 25. 51, 进行了敞水性能计算, 以考察雷诺数的影响。

当取R e =, v 为流体的运动粘性系数, 一般

v

认为, 临界雷诺数R e 为5×105。对于水, 当nD 2=

2

0. 5275, 0. 9375, 1. 0, 25. 51时, 相应的雷诺数R e 分

图6　反弯扭螺旋桨不同雷诺数R e 下的敞水性能曲线

别近似为5×105, 9×105, 10×105, 250×105, 均不低于临界雷诺数。其中, 前三个R e 数, 彼此相差不到两倍, 尤其第二、三个R e 值接近于相同, 唯有第四个R e 数差异较大, 为前三个的25倍以上。这四个雷诺数下算得的性能曲线与试验结果示于图6。

由图6可见, 相应于前三个R e 数的三条K T ～

J 线基本重叠, 与试验曲线吻合得也相当好,

而第四

个R e 数对应的曲线则要明显高出上述三条线, 偏差约为8%; 对于J ≥0. 7, K T 随R e 数单调地略微上升。与之相似的是, 对于K Q ～J 线, 前三条也基本重叠, 第四条与前三条稍有偏差, 约为3%; K Q 与R e 数的单调关系不清晰。Γ0的情况更为复杂一些:与试验结果相比, 前三条线在J

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合得都相当好, 相对偏差小于2%; 在0. 8≤J ≤1. 0间, 吻合得也可接受, 除一个点的计算值与试验偏差为7%外, 其余点偏差小于5%; 但J >1. 05的计算结果与试验偏差过大, 在6%以上; 且此三条线在J ≥0. 8时, 与试验结果相比均为负偏差。第四条Γ0～

J 线则明显高于试验结果曲线, 偏差在5. 5%左右,

设定螺旋桨轴向为Z 轴方向, 来流指向-Z 方向, 图7中所示为桨正车顺时针、倒车逆时针旋转时, 由桨后方z =-0. 08m 处横截面上观测到的轴向速度矢量图, 不同颜色标明了速度矢量的大小, 速度为负值表示当地速度与来流速度方向相同, 即为顺流, 正值则相反, 即为倒流。图中还示出了桨的轮廓线及其与该横截面的相交线。比较a 、b 两幅图可发现, 正车时桨叶表面上以及桨叶间速度皆为负值, 而且流体由桨盘外流向桨盘内, 说明正车时没有倒流出现, 对上游的桨盘外水流有明显的抽吸现象; 而倒车时则不然, 桨盘内大部分水流速度为正值, 只有在桨叶弯扭的凹面处有与来流方向相同的水流, 即, 且只有说明倒车时的抽, 吸入盘内的大部8所示为同一横截面上的压力分布。与正车相比, 倒车情况下, 吸力面和压力面发生了颠倒, 原先的吸力面变为压力面, 而压力面则变为吸力面。

表2　倒车和正车时螺旋桨的敞水性能

J =±0. 1

K T

且在J ≤1. 1时均为正偏差。另外, 前三条线峰值在

J =0. 95处, 第四条线峰值与试验结果相同, 在J =

1. 0处。可见, 雷诺数上升使峰值点右移。第二、三条

线, 由于R e 值接近于相同, 在所考察的0. 5≤J ≤1. 1间, 始终靠得很近, 相互偏差不超过1%, 可视之

为一条线。在可作比较的0. 7≤J ≤1. 1间, 如把四条线视作三条线, 则这三条Γ0～J 线随R e 数单调上升, 且第二条比第一条高出不超过3%, 第三条比第二条大体上高出6%以上。

综上述分析, 而言, T 达8%、3%、5. 修正幅度。, 有必要注意R e 数的影响, 特别对所计算的这种其叶片翼型为层流型的螺旋桨, 尤为必要。3. 3　倒车性能初步考察

10K Q 0. 79281. 07674%

Γ0

-0.

07170. 083985%

倒　车正　车倒车 正车

-0. 3570. 567163%

本部分工作在反弯扭螺旋桨直径为1m 、来流速度为0. 1m 转速分别为1r s 、s 和-1r s 的情况下, 研究比较了反弯扭螺旋桨的正车和倒车性能。

表2给出了进速系数J =0. 1的情况下倒车和正车时桨的敞水性能比较结果。从中可发现, 倒车的推力系数、扭矩系数和敞水效率均比正车下降。

3. 4　尾流考察

图9所示为J =0. 5、0. 8、1. 0时的桨尾流情况。可见, 大半径处尾流螺距随J 上升而上升, 较小半径

(a ) 倒车　V =0. 1m s ; D =1m ; N =-1r s (b ) 正车　V =0. 1m s ; D =1m ; N =1r s

图7　反弯扭螺旋桨倒车和正车情况下的速度矢量图(z =-0. 08m )

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使用F luent 软件的螺旋桨敞水性能计算和考察

(a ) 倒车　V =0. 1m s ; D =1m ; N =-1r s (b ) 正车　V =0. 1m s ; D =1m ; N =1r s

图8　反弯扭螺旋桨倒车和正车情况下的压力等值线图(z =-0. 08m

)

(a ) =0. 5(b ) J =0. 8(c ) J =1. 0

图9　桨尾流情况

处尾流螺距随J 上升而下降。文献[3]采用P I V 测量四叶侧斜桨尾流, 也揭示了相同的情况。而尾流的外直径随J 上升而上升。J =0. 5时, 尾流的外直径明显小于桨直径, 反映了强载负时桨对流体作较强的抽吸。

系数的变化情况。显然, CFD 计算可作为新技术措施机理考察以及开展各种基础课题研究的重要方法和手段。

4) 本文对计算结果的分析讨论尚粗浅, 且仅为一家之言。另外值得注意的是, 借助商用软件的CFD 计算工作, 应对计算结果进行充分地考察分

4　结　论

1) 使用FLU EN T 软件, 对本文考察的侧斜反

析。

5　感　谢

感谢上海海集计算机科技有限公司尤迎久博士为本文工作提供软件试用和有力的技术支持。

[参考文献]

[1]　FLU EN T 软件用户使用手册[M ]

[2]　华汉金130万立方英尺冷藏集装箱船螺旋桨模型试验

弯扭桨, 在设计点J ≈0. 975处, 推力系数K T 、扭矩系数K Q 、敞水效率Γ0的计算结果与试验偏差都不超过5%。目前我们在螺旋桨敞水性能计算中, 采用的计算流程为堪敷工程应用。

2) 对层流翼型的螺旋桨, 在用试验结果预报实

桨的敞水性能时, 有必要注意雷诺数R e 影响的幅度。

3) 从敞水状态下计算的结果中, 可清晰观察到

报告[R ]1708研究所科研报告11994. 3. 20

[3]　F . D i Felice et al , Experi m ental Investigati on of the

P ropeller W ake at D ifferrent L oading Conditi ons by . 48, N o . 2, Partice I m age V eloci m etry [J ]1JSR V o l 2004. 6

正、倒车时叶片上及叶片间的速度、压力分布, 对流动有直观了解; 同时又可清晰观察到桨尾流随进速

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