螺旋槳的快速建模及水動力性能預報研究

柳堪樂，賴海清，李明敏,方先進

（1.中國船級社質量認證公司陜西分公司，西安，710065 ；2.廣州船舶及海洋工程設計研究院，廣州 510250）

1 前言

螺旋槳幾何形狀復雜且有流體分離、漩渦等現象，使得流場中的流動結構很復雜，無法通過求解描述流動過程的微分方程式得到解析。因此，長期以來螺旋槳試驗便成了研究螺旋槳水動力性能必不可少的手段，螺旋槳的敞水試驗主要是以各船模水池的螺旋槳設計圖譜為基礎，進行少量的修改和試驗來進行螺旋槳的設計，進而應用在工程中，然而，螺旋槳模型試驗不僅周期長、費用高，而且很難得到詳細的局部流場信息，存在很大的局限性。這樣的情況下，數值試驗的優勢就表現出來了，隨著計算機性能的不斷提升以及計算流體力學（CFD）的發展[1]，利用計算機求解螺旋槳問題周期短、成本低、結果數據完整等優點逐漸顯現出來，它能夠更加真實的模擬出實際螺旋槳的工作狀態，因此，CFD 方法被廣泛的應用于工程實踐中[2]。如何快速進行螺旋槳的敞水性能預報，提高螺旋槳設計效率，已成為目前研究人員越來越關注的話題

2 螺旋槳快速建模

螺旋槳的曲面造型相對普通的曲面造型復雜，采用 PropCAD 軟件與犀牛軟件結合，可以實現螺旋槳的快速建模。PropCAD 是用于船舶螺旋槳數據建模、二維和三維視圖自動生成的軟件，軟件建立在CAD（IMSI 的可視CADD）基礎上，在螺旋槳設計功能中加入了大量有針對性的CAD 功能。使用其強大的繪圖功能，可以設計各種類型的螺旋槳。生成螺旋槳設計圖最簡單方法是使用軟件的Builder 功能，軟件包含了常用螺旋槳（如高恩系列、B 系列、Ka 導管系列、AU 系列和SK 系列）的資料庫，設計者只要輸入一些關鍵的參數就可以生成螺旋槳完整的幾何圖形。例如，輸入需要的盤面比，縱斜和側傾值及厚度分布規律，PropCAD 將生成螺旋槳的所有幾何參數，包括弦長、葉厚度、側斜、縱傾和葉剖面型值，還可以對螺旋槳的幾何參數進行自定義，設計出任意實際的形狀，自助修改螺旋槳各截面參數形成自定義螺旋槳模型（如圖1）。

但是，PropCAD 導出的螺旋槳只是片體，其葉稍及槳轂處都是未封閉的曲面，為了形成完整封閉的三維模型，需要將模型輸出為犀牛軟件可讀取的TXT 文件格式。

犀牛（Rhino）是美國Robert Mcneel & Assoc.開發的強大專業3D 造型軟件[3]，它可以廣泛地應用于三維動畫制作、工業制造、科學研究以及機械設計等領域。它能輕易整合3DS MAX 與Softimage 的模型功能部分，對要求精細、彈性與復雜的3D NURBS 模型，有點石成金的效能。可以輸出obj、DXF、IGES、STL、3dm 等不同格式，并適用于幾乎所有3D 軟件。

在犀牛軟件中對螺旋槳的大致處理方法如下：

（1）選擇工具——指令集——從文件中讀取，選擇PropCAD 導出的葉片和槳轂數據點TXT 文件。

（2）選擇葉面與槳轂面，執行圓角命令，連接槳葉與槳轂。

（3）在槳轂面和葉稍上分別畫幾條連接葉面葉背的曲線，執行邊緣曲線建立曲面命令，構造出葉稍面，并連接葉面葉背。同理，合成與槳轂接觸的底面。

（4）執行組合命令，選擇葉面，葉背，及上一步驟新建的葉稍和底面，形成一封閉的曲面。至此，一片完整的螺旋槳葉片建模完成，最后進行圓周陣列命令即可完成螺旋槳三維建模。如圖2 所示。

2 螺旋槳水動力分析

2.1 計算域及網格劃分

計算域為一長、寬、高分別為50D、8D、8D的長方體，其計算區域如圖所示。計算域入口建立在螺旋槳前方10D 處，出口設置在螺旋槳后方40D 處，螺旋槳到上下左右邊界的距離均為 4D。在長方體計算域中另設有一圓柱體域，螺旋槳位于該域之中，該區域也稱為槳域，其中槳域入流面位于槳盤面上游0.3 R 處，槳域出流面位于槳盤面下游 0.3 R 處，圓柱體外徑為 1.2R。

網格質量直接決定模擬精度、收斂性和計算效率，因此應對整個流域分析進行合理的網格劃分，本課題研究所選用的網格是六面體切割Trimmer 體網格，六面體網格生成時所用的內存與時間會較多，因此，若遇到計算量較大的模擬，就需要選用有足夠內存的電腦劃分網格，方能順利處理完網格的制作。圖3 的網格示意圖可以看到空白部分為螺旋槳幾何，其他部分為流體區域，在螺旋槳與流體之間，應有邊界層的現象，為了正確捕捉邊界層流體特性，在這里建立了邊界層網格，從螺旋槳幾何處開始生成漸層狀的邊界層網格。螺旋槳模擬中，槳葉是一個很重要的影響因素，因此在進行體網格劃分時，對螺旋槳葉采用了局部加密處理，同時，為了更好的捕捉螺旋槳的所有外形特征，對其特征線均進行了規整的特征線網格加密。在入口及出口處，采用了extrude model 拉伸模型，增加體網格，它允許從任何邊界進行拉伸，形成規則的六面體網格，最終全計算域共270.5 萬個網格。

2.2 邊界條件設定

完整的網格建立完成之后，接下來是黏性流的計算設定，對于文中的螺旋槳計算，在此選用的紊流模型為k-e 模型，流體介質為水，參數與水池環境保持一致，水溫為12.2 ℃，密度為998.914 kg/m3，運動黏性系數為1.23E～06 m2/s。至于邊界條件的設定，可分為入流條件、出流條件、螺旋槳無滑動流體條件、流場邊界的壁面邊界條件，以及螺旋槳與流場間的交界面，在圖4 中標示出各邊界條件，以下為各邊界條件的簡單敘述。

本節中數值計算的邊界條件具體設置入下：入口邊界選用入流條件，根據選定的進速VA，給定來流速度；出口邊界由于出口距離槳模足夠遠，選用零壓力梯度條件，出口處的壓力與前方某一點的壓力始終一致；槳域圓柱側面：選用內部交流條件；螺旋槳及槳轂表面選用壁面函數[4]；外邊界選用速度遠場。給定均勻來流的來流速度作為數值計算的初始條件。各部分邊界及流域名稱如圖4 所示。

2.3 CFD 計算分析

船用螺旋槳的敞水效率曲線由不同進速系數J 下的推力系數KT、扭矩系數KQ及敞水效率η0繪制而成。其中，進速系數：，螺旋槳推力系數：扭矩系數：，效率:

由于后續計算量大，通過定義J、KT、10KQ等函數（如圖5），可以實現進速系數的自動更新，計算結束，再定義監控曲線，達到自動導出無量綱量系數的功能，大大的減少了人為的干預，有效的提高了工作效率。

計算結束，得到J=0-0.784 的螺旋槳的推力系數KT、轉矩系數KQ和敞水效率值η0，并將仿真值與水池試驗值比較，得到如圖6 的誤差分析結果。

從圖6 可知：推力系數KT、扭矩系數KQ、及敞水效率η0 的計算結果與試驗結果走勢基本一致，從整體來看，仿真效果比較好，誤差在3%左右。分析誤差產生原因，主要是由于實物模型與數字模型存在偏差、試驗與仿真工況無法完全相同等原因造成的。但總體來說，兩者結果基本吻合。我們認為，用此CFD 方法模擬螺旋槳敞水性能可以滿足實際工程設計應用的需求。

2.4 工作流場及壓力場分析

流體的反推力和扭矩是螺旋槳的宏觀受力，如果要細致地研究流體中螺旋槳的水動力性能，需要了解螺旋槳表面任意點的局部受力。

以螺旋槳進速系數J=0.448 時工況為例，圖7 為螺旋槳葉面及葉背的壓力分布圖，在導邊附近，存在壓力集中區，但從導邊向隨邊，壓力有所降低。但是相對來講，葉背上壓力急劇下降，與葉面同位置處形成巨大壓差，形成“吸力”?？梢钥闯?，從葉根到葉梢，吸力不斷增大，到葉梢達到最大值，同時，吸力在葉背中間較大，從而解釋了螺旋槳產生推力的原因。螺旋槳在實際工作中除了產生軸向誘導速度，還會由于螺旋獎的旋轉運動產生與其旋轉方向一致的周向誘導速度，軸向速度與周向速度合速度表現為水流經過螺旋獎盤面會向槳穀中心線扭轉，圖8 給出了螺旋槳尾流圖。從流線形狀來看，螺旋槳尾流直徑小于螺旋槳直徑。

3 結論

本文利用ProCAD與犀牛軟件結合，提出了一種螺旋槳快速建模方法，解決了螺旋槳建模繁瑣和效率低的問題，然后通過對螺旋槳網格的劃分和邊界參數的設置，計算了敞水螺旋槳的水動力性能，在不同進速系數下螺旋槳的推力系數，轉矩系數及效率，計算結果和試驗相對比，結果基本吻合，最大誤差在3%左右，同時分析了敞水中螺旋槳葉背和葉面的壓力分布及流場情況，精度能夠滿足工程上的設計需要。