基于Fluent的泵槳聯合推進性能分析

， ，

(哈爾濱工程大學 船舶工程學院,哈爾濱 150001)

泵槳聯合推進集合了噴水推進和螺旋槳推進的優點，既有低速時用螺旋槳推進，噴水推進只用于高速及緊急機動過程這樣的設計，也有低速時采用噴水推進以提高艦艇低速時的機動性，正常航行仍采用螺旋槳推進的設計[1-5]。南非海軍MEKO A-200型輕型護衛艦是目前少數使用泵槳聯合推進的艦船之一，而國內尚無螺旋槳與噴水推進器混合使用作為推進方式的船舶。本文基于南非海軍MEKOA-200型輕型護衛艦來研究泵槳聯合推進的推進性能。其噴水推進器與螺旋槳分布見圖1。

圖1 MEKO A-200 推進系統布置

所選模型噴水推進器與螺旋槳的功率比和直徑比與MEKOA-200相同，主要參數尺度見表1，螺旋槳選用可調螺距槳但計算時按照定螺距槳計算。

1 數值模擬結果驗證

泵槳聯合推進系統目前在國內尚無應用，也沒有試驗數據，無法進行數值模擬驗證。但噴水推進器及螺旋槳技術較為成熟，且有大量的試驗數據。可分別對噴水推進器及螺旋槳進行數值模擬，與試驗數據比較來確保計算精度，保證泵槳聯合推進數值模擬的可行性。

對噴水推進器流場計算進行網格劃分時分進流段、動葉輪、導葉輪及出流段4個區域。由于噴水推進器的動葉輪及導葉輪的葉片形狀不規則，進行網格劃分時采用三角形網格面網格單元和四面體/六面體混合型體網格單元。葉輪及泵體之間生成了8層網格。對葉梢及導葉等區域進行局部網格加密。

1.1 Fluent相關參數設置

1)控制方程選取。由于本文計算內容為不可壓縮流體流動問題，不考慮熱交換，故在控制方程的選取中舍去能量方程，選取連續性方程和動量守恒方程。

2)湍流模型選取。目前，尚無普遍適用于各種工程問題的湍流模型，考慮湍流模型的應用范圍，本文選用SST的k-ω二方程湍流模型。

3)差分格式選取。速度壓力耦合方式采用SIMPLEC算法求解，使用默認的亞松弛因子。對于差分格式選取，各控制方程的離散格式均采用二階迎風差分格式。

1.2 數值模擬結果與實驗對比

從小流量到大流量計算多個工況點，得到流量與揚程、功率及效率的數值模擬結果和實驗值，見圖2～4。

圖3 流量與功率數值模擬結果曲線和實驗值曲線

圖4 流量與效率數值模擬結果曲線和實驗值曲線

由圖2～4可見,利用CFD方法計算得到的噴水推進器軸流泵各項數據與實驗值比較接近。產生誤差的主要原因是在動葉輪與導葉輪內有明顯的脫流現象存在，以后深入處理這個問題，現在主要考慮離體。三項數據中最大誤差為10%，同時根據螺旋槳數值模擬結果和實驗值比較，可知數據最大誤差為8.2%。認為用這種方法來模擬噴水推進器和螺旋槳作用于船體是可行的，可以用于初步的泵槳聯合推進數值模擬。

2 泵槳聯合推進系統建模

利用CFD軟件對流場進行數值模擬，創建三維模型非常關鍵，直接影響到模型計算的精確程度。

1)生成螺旋槳槳葉三維模型。繪制螺旋槳槳葉的二維平面圖，經過坐標轉換生成dat文件并導入Gambit里建立螺旋槳的三維模型。螺旋槳實體模型見圖5。

圖5 螺旋槳實體模型

2)建立噴水推進器模型。以X軸為旋轉軸，利用同樣的方法建立噴水推進器動葉輪與導葉輪的三維模型，并對進水段及出水段建立模型。噴水推進器實體模型見圖6。

圖6 動葉輪實體模型

3)建立船尾模型與外域。本文主要考慮噴水推進器與螺旋槳之間的相互作用，適當地簡化噴水推進器、螺旋槳與船體之間的相互作用，船體艉部模型采用規則的幾何模型。

4)對噴水推進器流場進行網格劃分時分為進流段、動葉輪、導葉輪及出流段四個區域。由于噴水推進器的動葉輪及導葉輪的葉片形狀不規則，進行網格劃分時采用三角形網格面網格單元和四面體/六面體混合型體網格單元。葉輪及泵體之間生成了8層網格。并對葉梢及葉根區域進行局部網格加密。由于螺旋槳表面形狀復雜，采用非結構網格進行劃分。在螺旋槳周圍建立小圓柱形流體域，周圍建立矩形大流體域。螺旋槳網格及計算域網格見圖7、8。

模型劃分完網格后，在Gambit里進行邊界條件定義，并生產*.mesh文件，導入Fluent內進行數值模擬。

圖7 螺旋槳網格

圖8 計算域網格

3 數值模擬結果分析

3.1 螺旋槳推力及轉矩

表2、3為Fluent計算得到的在相同條件下，泵槳聯合推進系統中兩個螺旋的推力及兩個螺旋槳單獨作用時的螺旋槳推力。

表2 泵槳聯合推進系統螺旋槳推力 N

表3 螺旋槳單獨作用螺旋槳推力 N

泵槳聯合推進系統中，左、右螺旋槳的推力分別為1.215×106、1.207×106N，較螺旋槳單獨作用時的螺旋槳推力1.149×106、1.137×106N,增幅為5.57%、6.13%。主要原因是噴水推進器出流作用于螺旋槳槳葉葉面處，使其壓力葉面壓力增加，提高螺旋槳推力。

泵槳聯合推進系統中左側螺旋槳的轉矩1.183×104N·m，較螺旋槳單獨作用時的螺旋槳轉矩1.124×104N·m增幅5.27%；右側螺旋槳的轉矩1.212×104N·m，較螺旋槳單獨作用時的螺旋槳推力1.144×104N·m增幅5.89%。泵槳聯合推進系統能有效提高螺旋槳的推力。同時，對螺旋槳的轉矩也有很大的影響。

泵槳聯合推進系統中，左側螺旋槳推進效率為ηBL=0.654，右側螺旋槳推進效率ηBR=0.635；當螺旋槳單獨作用時，左側螺旋槳的推進效率ηPL=0.651，右側螺旋槳的推進效率ηPR=0.633。泵槳聯合推進系統中，螺旋槳推進效率相比于螺旋槳單獨作用時略微提高。

3.2 噴水推進器推進性能

表4、5為由Fluent軟件計算得到的噴水推進器在泵槳聯合推進系統中及噴水推進器單獨作用時產生的推力。其中噴水推進器單獨作用時推力為7.566×105N，泵槳聯合推進系統中噴水推進器推力為7.545×105N，較單獨作用時減幅達0.28%。

表4 泵槳聯合推進系統噴水推進器推力 N

表5 噴水推進器單獨作用推力 N

噴水推進器單獨作用時轉矩為8.068×103N·m，泵槳聯合推進系統中噴水推進器轉矩為8.057×103N·m，較單獨作用時減幅0.36%。

由此可見泵槳聯合推進系統中，噴水推進器推進性能受影響較小，幾乎沒有變化。

1)泵槳聯合推進系統中，噴水推進器進水口流速v0=8.8 m/s，出水口流速vj=19.8 m/s，流經噴水推進器的流體流量Q=32 m3/s。

根據T凈=ρQ(vj-v0)得到噴水推進器產生的凈推力T=3.52×105N，泵槳聯合推進系統中噴水推進器的推進效率為0.467。

2)在噴水推進器單獨作用時，v0=8.7 m/s，vj=19.6 m/s，Q=31.73 m3/s，T=3.459×105N，泵槳聯合推進系統中噴水推進器的推進效率為0.457。

泵槳聯合推進系統中，噴水推進器的推進效率幾乎不受影響。數值計算所得噴水推進器效率僅為0.457是因本文并未對噴水推進器進、出水管道進行優化，對噴水推進器推進效率影響較大。

4 結論

泵槳聯合推進系統中與兩種推進器單獨作用比較，螺旋槳推力增加6.0%，轉矩增加5.5%，推進效率略微提升；噴水推進器的推力、轉矩變化幅度均不超過0.5%。因此，泵槳聯合推進系統中，螺旋槳的推進性能對流場的變化更敏感，而噴水推進器受外部流場影響較小，在設計時應給于更多的關注。

[1] 孫存樓，王永生，丁江明，等.一種新式聯合動力裝置在現代戰斗艦艇上的應用分析[J].艦船科學技術，2006(10)：39-42.

[2] 孫存樓，王永生，丁江明，等．噴水推進器推力的動量計算法[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版，2006 (6)： 1098-1101

[3] 孫存樓，王永生，劉巨斌.混合推進系統噴水推進器與螺旋槳相互作用研究[J].中國造船，2010，51(1)：9-16.

[4] 沈海龍，蘇玉明．船體黏性非均勻伴流場中螺旋槳非定常水動力性能預報研究[J].水動力學研究與進展，2009，24(2)：232-241.

[5] 董世湯，王國強，唐登海，等.船舶推進器水動力學[M].北京：國防工業出版社，2009.