基于CFD的導管槳葉梢與內壁間隙對水動力性能影響分析

摘 要：運用計算流體力學軟件Fluent對粘性流場中導管螺旋槳的流場進行了計算分析，獲得了導管螺旋槳敞水狀態下的水動力性能曲線。改變螺旋槳葉梢與內壁的間隙△（△= 0， 0.025R， 0.05R），分別計算導管槳的水動力性能，計算結果表明：導管螺旋槳的葉梢與導管內壁間隙越小，導管螺旋槳的推進效率越高。

關鍵詞：導管螺旋槳；CFD；水動力性能

中圖分類號：U664.3 文獻標識碼：A

1 前言

導管螺旋槳亦稱套筒螺旋槳， 它是在螺旋槳的外圍加上一個環行套筒而構成，是一種特種推進器。由于它具有在海上航行時受外界海況變化影響較小， 導管對螺旋槳具有保護作用且使航向穩定性得到顯著改善等優點， 現在在商船上也得到很多應用。但相對非導管螺旋槳，其效率要低一點。導管螺旋槳的導管與槳之間存在間隙，工程上間隙的取值大小需要考慮滿足軸系變形、振動、加工、安裝精度等因素。

近年來，由于數值模擬相對于實驗研究有很獨特的優點，比如成本低，周期短，能獲得完整的數據，能模擬出實際運行過程中各種測量數據的狀態。CFD技術廣泛運用于流體數值模擬，其良好的適應性，較高的準確性[1]，逐漸成為流體動力學研究的重要工具，且其應用領域也逐漸擴大。因此，本文采用Fluent軟件對導管螺旋槳進行CFD計算，分別計算螺旋槳葉梢與內壁的間隙△=0.025R， 0.05R時，導管螺旋槳的水動力性能曲線。

2 CFD計算模型與計算方法

2.1 控制方程[2] 及數值計算方法

對于導管螺旋槳的槳葉相對于導管的旋轉運動可以視為不可壓縮流體的三維非定常流動，因此可以用雷諾平均動量方程描述：

（1）

式中：ρ為流體密度； 為雷諾應力。根據Boussinesq提出的渦粘假定，建立了Reynolds應力相對于平均速度梯度的關系：

（2）

式中：μt是湍流粘滯系數。它是湍動能k和湍流耗散率系數ε的函數。

本文非定常湍流計算采用RNGk-ε雙方程模型，即重正化群使雷諾平均方程封閉，其形式如下：

（3）

（4）式中：Gk為梯度變化引起的湍動能；Gb為浮力變化引起的湍動能。

RNGk-ε雙方程模型與標準k-ε模型相比，通過修正湍動粘度，考慮了平均流動中的旋轉及旋流流動情況，能夠更好地處理高應變率及流線彎曲程度較大的流動，因此更適合高速旋轉導管槳這種復雜流動的過程。在近壁區使用速度分布對數律的固壁函數。

采用Fluent軟件對導管螺旋槳進行CFD計算中，非定常湍流計算利用分離式求解器采用二階隱式時間推進法，壁面處采用標準壁面函數處理。控制方程在時間和空間上都進行離散。空間離散使用有限體積法將控制方程轉化為可計算的代數方程。有限體積法是在每個計算單元上對控制方程進行積分，離散后的方程體現了在每一計算單元上的流場參數。時間離散包括每一項在一個時間步長內不同方程的積分。壓力項采用二階中心差分格式，其它項采用二階迎風差分格式。滑移網格采用moving mesh模型。

2.2 計算模型[3] [4] [5]

導管螺旋槳主要尺度、主要參數：直 徑 D=2.000 m；螺 距 比 H/D=0.900；盤 面 比 Az/A=0.700；轂 徑 比 d0/D=0.167；葉 片 數 Z=4；后 傾 角 ε=0；槳 型 Ka4—70。導管剖面型式為19A型、弦長為1.00（m）、槳葉與導管間隙△分別為 0， 0.025R， 0.05R。導管螺旋槳幾何模型如圖1。

計算域為圓柱體形，計算域半徑Ra為4（m）、螺旋槳盤面處前長度Lf為4（m）、螺旋槳盤面處前長度Lr為6（m）。網格劃分是CFD模擬過程中最重要的環節，也是直接影響模擬精度和效率的關鍵因素之一。網格過疏往往會得到不精確的結果，網格過密又會導致計算量增大及計算難以收斂。本文在對內部計算域劃分網格中，為了較好的劃分螺旋槳葉梢處以及曲率較大部位的網格，定義了函數Function{start size 12， growth size 1.4 size limit 20}，內部計算域網格劃分結果如圖2，其網格總數為61.1萬。外部計算域網格劃分結果如圖3，其網格總數為58.6萬。為了更好的數據交換，對定義的前后interface面均采用規則劃分。

在螺旋槳的敞水計算中，整個計算區域均相對某個參考坐標系作旋轉運動，而螺旋槳周圍不存在相互干擾的物體，因此可選用Fluent軟件提供的運動參考坐標系模型（即MRF模型）。在進口邊界處設置為速度進口條件，給定均勻來流的各速度分量；由于流動出口的速度和壓力在解決流動問題之前是未知時，出口邊界定義為質量出口邊界；圓柱體表面設為壁面；壁面設為無滑移固壁條件。計算域中的內部計算域的流體則按MRF模型，設置為繞軸以角速度行旋轉，角速度為5 r/s。

3 導管與葉梢之間的間隙對水動力性能的影響分析

3.1 不同間隙時導管螺旋槳水動力性能的計算

為了研究導管與葉梢之間的間隙大小對導管螺旋槳的水動力性能的影響，分別取導管與槳葉葉梢之間的間隙大小為0、0.025R、0.05R進行計算。導管螺旋槳的水動力性能系數的變化曲線如圖4至圖8。

3.2 導管與葉梢之間的間隙對水動力性能影響分析

導管與葉梢之間的間隙的變化，導致導管與螺旋槳之間的誘導速度的不同，從而改變導管螺旋槳整體的水動力性能。導管螺旋槳的葉梢與導管內壁間隙越小，則因間隙引起的效率損失也越小，效率越高。

4 結論

導管與槳葉葉梢之間的間隙的變化，導致導管與螺旋槳之間的誘導速度的不同，從而改變導管螺旋槳整體的水動力性能。導管螺旋槳的葉梢與導管內壁間隙越小，則因間隙引起的效率損失也越小，效率越高。

一般導管與葉梢之間的間隙取較小的值時性能較好，工程上在滿足軸系變形、振動、加工、安裝精度等的前提下，間隙越小，水動力性能越好。因此，船舶導管螺旋槳偏重時，不能采用切割直徑的方法減輕主機的負荷，只能采用切割隨邊的辦法。

參考文獻

[1] 歐禮堅， 安源. 基于CFD的船舶導管螺旋槳的水動力性能研究[J]. 科學

技術與工程， 2010（10）： 5352-5356.

[2] 王福軍. 計算流體動力學分析[M]. 北京： 清華大學出版社， 2004.

[3] 馮學梅， 陳鳳明. 使用FLUENT軟件的螺旋槳敞水性能計算和考察[J].

船舶， 2006（1）： 14-19.

[4] 王國強， 盛振邦. 船舶推進[M]. 哈爾濱： 哈爾濱工程大學出版社， 2003.

[5] 王超， 黃勝， 解學參. 基于CFD方法的螺旋槳水動力性能預報[J]. 海軍工

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