基于滑移網格法槳——舵相互干擾流場分析

陳 衛 葉 敏

（臺州科技職業學院，浙江臺州 318020）

螺旋槳布置在船尾，其水動力性能受到船體、舵等因素的影響，工作環境相對復雜，通過單槳模型模擬螺旋槳的流場所得的粘性流程與實際的工況存在很大的差異，因此，很有必要考慮船體、舵等因素對于螺旋槳尾流的影響。但是，在進行船、槳、舵一體化模擬存在著一定的困難，網格數龐大，不利于數值模擬的準確性。

本文通過模擬螺旋槳—舵的相互干擾，在這種運動模式下，流場隨著時間呈現出周期性的變化，在模擬過程中采用非定常的方法計算模擬。

在處理螺旋槳與舵之間的動靜關系中，螺旋槳區域作為網格旋轉區域，其它區域作為靜止區域處理，采用滑移網格計算，其基本原理是將幾網格劃分成幾個區域，交界面兩側網格相互滑動，而不要求交接面兩側的網格結點相互重合，在計算過程中使經過其交接面的通量相等。在數值計算的過程中，通過網格交界面的通量是根據兩個交界面區域的相交部分來計算的。

1 數學模型

標準k－ε模型是基于湍流動能k和湍流動能耗散率ε的輸運方程上建立起來的半經驗模型。湍流動能k和湍流動能耗散率ε由以下的輸運方程描述：

運動方程［1－3］：

2 計算模型與網格劃分

本文選用螺旋槳模型為JDC4－55［4］，試驗模型號為9004，直徑D＝0.3036m，初始螺距比P／D＝1.0，轂徑比0.28，葉背方向取為Z軸正方向，轉速n＝900rpm，本文所采用的舵為半平衡舵，舵高272mm，通過改變進速來改變進速系數［5］。計算雷諾數取為1.3×106，大于臨界雷諾數。

試驗中，采用滑移網格模型對不同計算域進行數值計算，計算域見表1。

表1 計算域及網格

計算區域劃分如圖1所示，網格的劃分思路為螺旋槳與舵區域由于其結構的不規則性，特別是螺旋槳的結構高度扭曲，該區域采用較密的非結構網格，外圍流場為結構化六邊形網格。其余量分布如圖2所示。

圖1 流暢區域

圖2 余量分布

圖3 壓力分布

3 計算結果顯示

圖4 軸向速度分布（z＝－0.08m）

在舵角變化的情況下，螺旋槳尾流也發生變化，本文在舵角分別為30度和60度時進行計算，隨著舵角的增加，流場作用在舵上的壓力有所增加，表現為作用在舵上的壓力峰值提高，并且壓力較大區域的面積擴大，如圖3所示。并檢測得到距離槳葉后方0.08m處的速度分布如圖4，由檢測結果可知，隨著舵角增大，尾留的速度有減小的趨勢。

4 結 語

（1）模擬槳—相互干擾的粘性流場，表明CFD方法可以較好的模擬動靜相互干擾的粘性流場。

（2）槳—舵干擾下，螺旋槳壓力分布與單槳時所得到的壓力分布趨勢相同，葉背區域壓力小，葉背區域的葉梢處是槳葉壓力的最小區域，葉面區域壓力較大。該區域的葉梢處是槳葉的壓力最大值。

（3）在舵角增大時，槳—舵之間的流場的速度減少，壓力變大，與理論相符。

1 姚震球，高慧，楊春蕾.螺旋槳三維建模與水動力數值分析［J］.船舶工程，2008（6）：23－26

2 李巍，王國強，汪蕾.螺旋槳粘流水動力特性數值模擬［J］，上海交通大學學報，2007.（4）：10－20

3 胡健，黃勝.可調螺距螺旋槳水動力性能分析［J］，船舶工程，2007（6）：41－45

4 陳澤，朱超，施用山等.JDC4－55可調螺距螺旋槳系列［J］，海洋工程，1993（4）：13－22

5 Salvatore F，et al.A Viscous／Inviscous Coupled Formulation for Unsteady Sheet Cavitations Modeling of Marine Propellers［C］.Fifth International Symposium on Capitation，Japan，November 2003.