基于CFD法的船用螺旋槳敞水性能預報

伍蓉暉, 何珍 彭翔 田中文

摘? ? 要：螺旋槳敞水性能對船舶推進性能具有重要意義。本文采用計算流體動力學（CFD）數值計算方法對螺旋槳的敞水性能進行預報計算。通過不同邊界層模式下的計算精度比較，提出合適的預報模式，并與試驗值對比以驗證該模式的有效性。結果表明，該模式計算誤差在工程允許范圍內，可用于螺旋槳水動力性能預報。

關鍵詞：敞水性能;CFD;邊界層;湍流

中圖分類號：U661.34 ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Open water performance of propeller is of great significance to the determination of ship propulsion performance. In this paper， computational fluid dynamics （CFD） numerical calculation method is used to calculate the open water performance prediction of propeller， by comparing the calculation accuracy of different boundary layer models， an appropriate prediction model is proposed and compared with the test values to verify the effectiveness of the model. The results show that the calculation error of the model is within the allowable engineering error range and can be used for the prediction of marine propeller hydrodynamic performance.

Key words： Open water performance; CFD; Boundary Layer; Turbulence

1? ? 引言

螺旋槳是應用最為廣泛的船用推進器，螺旋槳水動力性能對于船舶推進性能起著至關重要的作用。目前，通常采用敞水試驗確定螺旋槳水動力性能。隨著計算機輔助軟件的快速發展與流體動力學數學模型的深入研究，基于CFD法的數值模擬被廣泛應用于螺旋槳前期性能優化與后期結合試驗的螺旋槳水動力性能預報。

基于CFD法的螺旋槳數值模擬中，不同的計算域、網格劃分、邊界層設定、物理模型的選擇等直接影響螺旋槳水動力性能計算結果。本文主要采用旋轉參考坐標系法（MRF），以VP1304螺旋槳為例對CFD法計算模式進行說明，并與敞水試驗結果進行比較，以驗證該模式下的CFD法螺旋槳數值模擬結果滿足精度要求，可用于螺旋槳水動力性能預報。

2? ? VP1304螺旋槳水動力性能計算結果與分析

2.1? 主尺度

VP1304螺旋槳（圖1）為SVA水池公開敞水試驗性能的槳模，其主要尺度如表1所列[4]。

2.2? ?計算前處理工作

2.2.1 計算域

螺旋槳計算域（縱向）如圖2所示。速度進口處距離螺旋槳原點5D;出口處距離螺旋槳原點10D;各周界距離螺旋槳原點3D;螺旋槳旋轉域直徑為1.3D。

2.2.2網格劃分及邊界層設置

計算域基本網格尺寸為8 mm。螺旋槳槳葉邊界細化網格，設置為5%基本網格;槳葉面細化網格，設置為25%基本網格;遠場進口、出口、周界網格設置為1 500倍基本網格。

螺旋槳水動力性能的正確模擬依賴于計算域網格與邊界層網格的合理劃分，尤其是近壁面處邊界層網格的合理評估會大大影響螺旋槳數值模擬的正確性。

以近壁面函數近似預估近壁面邊界層厚度及層數。

引入速度和距壁面垂向距離無因次量：

由于螺旋槳槳模雷諾數較小，以初始y+=1計算近壁面第一層網格中心距壁面距離;以厚度增長率為1.3，計算邊界層層數m=5和m=10時邊界層厚度。

根據以上網格尺度及邊界層厚度、層數劃分計算域網格。螺旋槳葉面網格如圖3所示，螺旋槳周界面網格如圖4所示，邊界層層數為5層及10層時邊界層細化網格如圖5、圖6所示。

2.2.3? 湍流模型及邊界條件

湍流模型采用k-ε模型，邊界層選用壁面函數法;速度進口速度值VA=J·n·D[3];旋轉域添加旋轉坐標，旋轉坐標旋轉速度為螺旋槳轉速n;計算域進口、出口、周界邊界條件，分別為速度進口、壓力出口、對稱平面。

2.3? 計算結果及分析

計算不同進速系數、不同邊界層層數和厚度下，螺旋槳的推力系數KT、扭矩系數KQ及效率ηo。數值模擬結果及與試驗值的誤差，如表2～表4所列：

比較CFD數值模擬結果與繪制的螺旋槳水動力性能曲線可以得到：相同的基本網格尺寸、計算域范圍、湍流模型、邊界條件、壁面模型下，不同的壁面邊界層層數和厚度下計算結果不同;比較不同進速系數J的計算結果可知，在相同的估算方法下，邊界層為5層時螺旋槳水動力性能計算精度優于邊界層為10層時計算結果;另外，邊界層為5層時螺旋槳推力系數、扭矩系數、效率的計算誤差均小于4%，均在工程允許范圍內。

3? ?某集裝箱船實槳水動力性能分析

3.1? 螺旋槳幾何尺度

3.2? 計算前處理工作

該螺旋槳槳模尺度與VP1304槳相近，計算域、網格尺度、湍流模型等設置與VP1304槳相同。根據VP1304槳計算結果精度，該螺旋槳邊界層按層數m=5估算近壁面邊界層厚度。根據網格尺度及邊界層要求，該螺旋槳網格劃分如圖10、圖11所示，邊界層網格如圖12所示。

該集裝箱船在設計吃水下，通常對應螺旋槳敞水試驗進速的范圍為J=0.6～0.7。由表6可知：在進速J=0.6～0.7時，螺旋槳推力系數、扭矩系數、效率的CFD數值模擬結果的誤差均小于4%（工程允許誤差為5%）;在進速系數J=0.4、0.5、0.8時，其CFD計算誤差均小于5%，均在工程可接受范圍內。

根據該螺旋槳計算結果，進一步驗證了在該計算域范圍、網格尺度設置、邊界層層數和厚度設置下，CFD法適用于螺旋槳水動力性能預報，計算誤差在工程允許范圍之內。

比較SVA VP1304槳CFD水動力性能數值模擬精度與該槳數值模擬精度，可發現該螺旋槳數值模擬結果比VP1304槳數值模擬結果稍差，其主要原因是螺旋槳幾何建模的差異與槳轂流體導入處的幾何差異[4-5]。

4? ?結論

通過比較SVA VP1304槳和某集裝箱船螺旋槳的CFD計算結果與敞水試驗值，可以得到如下結論：

（1）? CFD法適用于螺旋槳水動力性能預報;

（2） 合理的計算域范圍、網格尺寸、邊界層層數和厚度、湍流模型等，可提高數值模擬計算精度。按本文提出的各項設置，CFD計算結果均滿足工程精度要求，可用于螺旋槳敞水性能預報;

（3）? CFD敞水試驗模擬誤差，主要源于螺旋槳幾何模型、近壁面邊界層估算、湍流模型選擇等。本文后續可進一步探討采用其它湍流模型，如k-ω湍流模型、雷諾應力方程模型等。另外，螺旋槳幾何模型對模擬結果有一定影響，后續需進一步加以研究。

參考文獻

[1] 王福軍.計算流體動力學分析—CFD軟件原理與應用[ M].清華大學出版社， 2004.

[2]張亮，李云波.流體力學[M].哈爾濱工程大學出版社，2006.

[3] 盛振邦，劉應中.船舶原理[ M]. 上海交通大學出版社，2004.

[4] Judyta Felicjancik. Numerical Simulations of Hydrodynamic open-waterCharacteristics of a? Ship Propeller[J]. Polish Maritime Research 4 （92） 2016?Vol. 23.

[5] 黃勝，王超，王詩洋.不同湍流模型在螺旋槳水動力性能計算中的應用與比較[J].哈爾濱工程大學學報， 2009，30（5） .