集成電機推進器流體動力數值仿真

趙仿澤

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

集成電機推進器流體動力數值仿真

趙仿澤

(西北工業大學 航海學院, 陜西 西安, 710072)

為了進一步優化集成電機推進器設計, 建立了集成電機推進器物理模型和流場數值模型, 確定了邊界條件, 利用FLUENT軟件對集成電機推進器的流場進行了仿真, 得到了不同工況下定子葉片、轉子葉片表面的壓力和速度分布情況, 以及集成電機推進器的推力、效率與航速之間的關系。利用仿真結果可對集成電機推進器性能進行估算, 為集成電機推進器的設計和優化提供參考。

集成電機推進器; 流體動力; 數值仿真; FLUENT軟件

0 引言

集成電機推進器是一種新型水下航行器推進裝置, 采用單轉子推進和減速型導管, 具有體積小、噪聲小、效率高和維護方便等優點, 適合作為水下機器人、輕/重型魚雷、潛艇和其他水下航行器的動力推進裝置[1-5]。

集成電機推進器由集成電機、導管、轉子葉片、定子葉片和中心軸組成, 如圖 1所示。其工作原理是, 將其安裝在水下航行器的尾部厚邊界層內, 且轉子與定子的輪廓線應與水下航行器的尾部線型一致, 這樣, 集成電機推進器就可以有效利用航行器尾部受阻滯的尾流, 提高推進效率。另外, 集成電機推進器大多采用減速導管,可降低進入轉子葉片處的流體流速, 增加轉子葉片周圍的靜壓, 推遲空泡的起始, 降低噪聲。目前,關于集成電機推進器的數值仿真研究并不多。本文應用商業軟件 FLUENT, 嘗試對集成電機推進器進行了仿真, 獲得其水動力性能, 為進一步研究集成電機推進器提供參考, 仿真目標: 1) 通過仿真計算, 得到在不同工況下定子葉片、轉子葉片表面的壓力和速度分布情況; 2) 通過對多個工況的仿真得到集成電機推進器的推力、效率與航速、轉速之間的關系。

圖1 集成電機推進器結構Fig. 1 Structure of an integrated motor propeller

1 模型建立

集成電機推進器為單極軸流葉輪機械, 前端轉子旋轉、后端定子固定。本文研究的模型是“后漩式”集成電機推進器, 導管為減速型導管。

1.1 計算域的選取和網格劃分

為較為精確地模擬流場, 對集成電機推進器加裝上、下游計算域, 如圖2所示。

圖2 考慮上下游流場的集成電機推進器示意圖Fig. 2 Schematic of an integrated motor propeller considering upstream and downstream flow fields

由于集成電機推進器內部是軸對稱流動, 因此, 可采用動靜結合的單通道方式, 只考慮 1個轉子葉片和 1個定子葉片, 求解時利用周期性邊界條件來模擬整個流場流動。利用單通道模式建立集成電機推進器內流場求解域。

采用混合網格對集成電機推進器的內外流場進行網格劃分, 如圖3所示。

圖3 集成電機推進器內流場網格圖Fig. 3 Grid of inside flow field in an integrated motor propeller

1.2 建立數學模型

計算域的控制方程選擇不可壓縮雷諾平均的RANS方程[6]。

2) 動量方程

當流動不可壓縮時, 標準k-ε模型的輸運方程為

1)k方程

2) ε方程

1.3 設置邊界條件

在集成電機推進器的定常計算中, 可以認為單個葉片上的壓力、速度等流動因素的分布是相同的, 即計算域具有旋轉周期性。因此, 本文選用周期邊界對轉子域和定子域做單流道仿真, 單流道的截取方法采用在兩葉片中位面切法。入口邊界設為速度入口, 出口邊界設為壓力出口, 圓柱外邊界設為靜止壁面。在轉子區域設定旋轉速度, 泵噴入口邊界、轉子和定子的交界面設為滑移邊界。由于采用單通道仿真方法, 轉子區域和定子區域的周向邊界需設為旋轉周期性邊界。

2 仿真結果及分析

為了仿真航行器處于不同航行速度時集成電機推進器內流場情況, 本文在既定轉速的情況下,分別對不同來流速度進行計算仿真。

2.1 轉子葉片表面壓力分布

圖 4是不同來流速度時, 轉子葉片壓力面和輪轂表面的壓力(總壓)分布圖, 從圖中可以看出,葉片壓力面進口邊的壓力最大, 越靠近輪轂壓力越低。葉片進口的邊角是整個轉子流場中壓力最高的區域。圖 5是不同來流速度時, 轉子葉片吸力面和輪轂表面的壓力(總壓)分布圖, 從圖中可以看出, 轉子葉片吸力面靠近進口邊的壓力較低,特別是靠近進口邊的輪緣邊角上有明顯的低壓區,這是葉片上最容易發生氣蝕的位置。遠離進口邊部分的葉片壓力在逐漸增加。

圖4 不同來流速度時轉子葉片壓力面壓力分布等值線圖Fig. 4 Pressure contours on pressure surface of rotor blade at different inflow velocities

分析壓力面和吸力面的壓力分布情況, 其原因可能是, 由于葉片壓力面從輪轂到輪緣其周向速度在逐漸增大, 對流體的作用力也在逐漸增大,因此受到流體對其的壓力也在逐漸增大。對于吸力面, 由于轉子葉片對流體做功不光增加其軸向速度, 還會產生周向速度, 而剛進入葉輪的流體是沒有周向速度的, 因此吸力面靠近進口邊的壓力比遠離進口邊的葉片壓力低。

比較各個工況壓力分布發現, 當來流速度增大時, 轉子葉片的壓力面和吸力面的壓力都在減小。這說明當來流速度增大時, 轉子葉片所受到的軸向推力和軸向力矩都在減小, 這將會造成整個集成電機推進器的推力和軸功率下降。從圖中還能看出, 隨著來流速度的增加, 轉子葉片吸力面低壓區的范圍在擴大, 說明當來流速度增大時,轉子葉片吸力面容易發生氣蝕的區域在增大。

圖5 不同來流速度時轉子葉片吸力面壓力分布等值線圖Fig. 5 Pressure contours on suction surface of rotor blade at different inflow velocities

分析產生以上現象的原因可能是, 隨著來流速度的增加, 進入轉子葉輪的流體速度也增加,而轉子的轉速不變, 因此轉子對流體在軸向上的作用力將會減小。根據牛頓第三定律, 流體對轉子的作用力也會減小, 從而轉子壓力面壓力隨著來流速度增加而減小。對于吸力面, 流體速度增加時, 轉速固定則其周向速度不變, 而軸向速度在增加, 因此速度方向與軸向夾角變小, 造成轉子吸力面進口邊上的低壓區向轉子吸力面后部擴散, 使低壓區的范圍擴大。

2.2 定子葉片表面壓力分布

圖6是不同來流速度時定子葉片正面和輪轂表面的壓力分布圖。從圖中可以看出, 定子正面與轉子壓力面相似, 進口葉邊壓力較高, 而且越靠近輪轂, 葉片的壓力越低。圖 7是不同來流速度時定子葉片背面和輪轂表面的壓力分布圖, 從圖中可以看出, 定子葉片背面的壓力分布也是從輪緣到輪轂在逐漸降低, 定子葉片的背面進口邊靠近輪轂處有一處明顯的低壓區, 這是定子葉片最容易發生氣蝕的地方。分析產生以上現象的原因是, 經過轉子葉輪做功后的流體具有明顯的周向速度, 且其周向速度從輪緣到輪轂在逐漸減小。而定子的作用就是通過對流體做功將周向速度轉化為軸向速度, 從而產生額外推力。因此,流體經過定子時會對其產生壓力, 且壓力分布從輪緣到輪轂逐漸降低。而轉子背面進口邊靠近輪轂的低壓區產生的原因是, 流體由于定子正面的作用產生回流, 從而造成這個區域的壓力偏低。比較各個工況壓力分布發現, 定子葉片表面的壓力分布基本不變, 但是其高壓區在減少, 背面的低壓區在擴大。分析其原因, 可能是隨著流體軸向流速的增加, 流體流速與軸向的夾角變小, 因而對定子正面的壓力也減小。而且隨著流速的增加, 回流的范圍也在擴大, 因此定子背面的低壓區隨著來流速度的增加而擴大。

圖6 不同來流速度時定子葉片正面壓力分布等值線圖Fig. 6 Pressure contours on front surface of stator blade at different inflow velocities

2.3 速度分布

圖8是轉子葉片表面的速度等值線圖。從圖中可以看出, 葉片表面的速度從輪轂到輪緣逐漸增大, 當接近輪緣時達到最大值, 而在輪緣處又由最大值減少到零。轉子背面進口邊靠近輪轂的區域速度最小, 轉子出口邊靠近輪緣的區域速度最大。圖9是定子葉片表面的速度矢量圖。從圖中可以明顯看出, 定子背面出口邊靠近輪緣處是速度最大的區域, 定子葉片背面靠近進口的輪轂附近有回流的存在。定子葉片可以明顯改善流動中存在的旋轉流動, 將漩渦能有效地轉化為推進方向的能量, 從而減少航跡。轉子葉片對流體做功, 使其速度逐漸增加, 將在葉片出口靠近輪緣的區域達到最大值。而定子的存在不但可以明顯改善流動中存在的旋轉流動, 還可以進一步增加推力。圖 10是集成電機推進器導管內流場速度矢量圖。由圖可見, 在轉子區域, 流體被旋轉的轉子葉片帶動作高速旋轉, 周向速度增大, 軸向速度也因吸力面和壓力面的壓差作用而增大, 表現為流體被吸到下游, 進入到定子區域。因定子葉片的整流作用, 使得流體的旋轉能大為減小,在集成電機推進器出口處, 流體表現處的旋轉運動已經大大減少, 說明定子能夠較好地回收流體的旋轉能量, 提高了效率。

圖7 不同來流速度時定子背面壓力分布等值線圖Fig. 7 Pressure contours on back surface of stator bladeat different inflow velocities

2.4 性能分析

使用FLUENT報告力矩值的功能, 可分別得到轉子葉片及其輪轂表面受到繞軸向的力矩值和定子葉片及其輪轂表面受到的繞軸向的力矩值,如表 1所示。根據各工況仿真結果, 可得到各工況下集成電機推進器的推力和效率, 從而繪制出集成電機推進器的推力與航速、轉速之間的關系曲線, 以及集成電機推進器的效率與航速、轉速之間的效率曲線。

圖8 轉子葉片和輪轂表面速度分布等值線圖Fig. 8 Velocity contours on surfaces of rotor blade and hub

圖9 定子葉片表面和輪轂表面速度矢量圖Fig. 9 Velocity vector graphics of stator blade surface and hub surface

圖10 集成電機推進器導管內流場速度矢量圖Fig. 10 Velocity vector graphics of inner flow field in catheter of an integrated motor propeller

為便于結果分析, 將上述計算結果轉化為曲線, 系列1, 2, 3, 4分別為轉子推力、定子推力、轉子扭矩和定子扭矩, 如圖11所示。

表1 轉定子力和力矩計算結果Table 1 Calculation results of forces and moments of rotor and stator

圖11 集成電機推進器推力與航行器航速關系圖Fig. 11 Relationship between propulsive thrusts of an integrated motor propeller and running speed of a vehicle

考慮集成電機推進器的葉片數, 得到集成電機推進器的效率為

式中:Q為推進泵的流量;H為推進泵的揚程; M為推進泵產生的力距;ρ為流體密度; ω為推進泵轉速; n為葉片數。

由圖 11可知, 集成電機推進器產生的推力,隨著來流速度的增加而逐漸減小, 這說明集成電機推進器所產生的推力隨著航速的提高而降低,直到在某航速時, 航行器所受到的阻力與這一航速下集成電機推進器所產生的推力平衡。根據圖12可以看出集成電機推進器的效率隨航速的變化情況。當航速增加時集成電機推進器的效率也在增加, 但是當航速超過8 m/s, 集成電機推進器的效率反而下降。分析其原因, 是由于整個集成電機推進器的效率由轉輪效率和管道效率組成,當航速增加時, 通過集成電機推進器的流量增加,轉輪效率提高, 但管道效率降低, 當流量超過某一臨界點后, 系統的效率就會不升反降。

圖12 集成電機推進器效率與航行器航速關系圖Fig. 12 Relationship between efficiencies of an integrated motor propeller and running speed of a vehicle

3 結束語

本文利用 FLUENT軟件對集成電機推進器在不同工況下進行仿真, 并對其結果進行分析。得到了集成式動力推進裝置流場的壓力和速度分布情況, 并獲得了推力、效率與其航速之間的關系曲線圖, 實現了仿真目標, 為集成電機推進器的設計和優化打下了基礎。

[1] 蔡昊鵬, 蘇玉民. 水下航行體推進器設計方法研究[J].哈爾濱工程大學學報, 2010, 31(4): 428-433.

Cai Hao-peng, Su Yu-min. A Design Method for Propulsors of Underwater Vehicles[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2010, 31(4): 428-433.

[2] 李錫群, 王志華.電機/推進器一體化裝置(IMP)介紹[J].船電技術, 2003(2): 5-7.

Li Xi-qun, Wang Zhi-hua. Introduction to Integrated Motor/Propulsor(IMP)[J]. Marine Electric & Electronic Technology, 2003(2): 5-7.

[3] 何東林.集成電機泵噴推進器技術研究[D].西安: 西北工業大學, 2005.

[4] 劉文峰, 胡欲立. 新型水下集成電機推進裝置的泵噴射推進器結構原理及特點分析[J]. 魚雷技術, 2007, 15(6): 5-8.

Liu Wen-feng, Hu Yu-li. Analysis of Construction Principle and Characteristics of Pumo-Jet for Underwater Integrated Motor Propulsor[J]. Torpedo Technology, 2007, 15(6): 5-8.

[5] 汪勇, 李慶. 新型集成電機推進器設計研究[J]. 中國艦船研究, 2011, 6(1): 82-85.

Wang Yong, Li Qing. Design of a New Intergated Motor Propulsion System[J]. Chinese Journal of Ship Research, 2011, 6(1): 82-85.

[6] 劉承江, 王永生, 張志宏, 等. 噴水推進雙級軸流泵流體動力性能 CFD分析[J]. 計算力學學報, 2009, 26(4): 477-482.

Liu Cheng-jiang, Wang Yong-sheng, Zhang Zhi-hong, et al. Hydrodynamic Analysis of a W aterjet Two-stage Axial-flow Pump Based on CFD[J]. Chinese Journal of Compu- tational Mechanics, 2009, 26(4): 477-482.

(責任編輯: 陳 曦)

Numerical Simulation of Hydrodynamics for Integrated Motor Propeller

ZHAO Fang-ze
(School of Marine Engineering, Northwestern Polytechnical University, Xi′an 710072, China)

Physical models of an integrated motor propeller and mathematical models of flow field are established, and the boundary conditions are determined to optimize the design of the integrated motor propeller. The software FLUENT is adopted to numerically simulate the inside flow fields. Thus, the distributions of pressure and velocity on the blade surfaces of rotor and stator are obtained, and the relationship among the propulsive thrust and efficiency of the integrated motor propeller and the running speed of a vehicle is gained under different conditions. As a result, the performance of the integrated motor propeller can be estimated on the basis of the simulation results.

integrated motor propeller; hydrodynamics; numerical simulation; software FLUENT

TJ630.32; TM33

A

1673-1948(2014)02-0126-05

2013-11-29;

2014-01-19.

趙訪澤(1964-), 男, 在讀博士, 主要研究領域為水下航行器總體設計.