基于Fluent的導管螺旋槳近海海域推力特性計算*

劉瀟瀟，張國政，董艷琪，魏廣超

(1.哈爾濱理工大學榮成學院，山東 威海 264300;2.內蒙古工業大學(金川校區)，內蒙古 呼和浩特 010000)

0 引 言

水下潛器在工作過程中，導管螺旋槳的推力特性成為了其能否完成預定認為的關鍵。但是對近海潛器的螺旋槳推力特性研究較少，基于此，我們對近海潛器導管螺旋槳的推力特性進行分析計算研究。

首先我們建立了控制方程和雷諾應力湍流模型，在得到速度場的前提下，利用Fluent中的半隱式求解器，求出壓力場，進而求得近海海域導管螺旋槳的推力特性，為近海海域利用導管螺旋槳推動的潛器控制設計奠定基礎。

1 選擇湍流模型

螺旋槳工作時，其運動狀況是一種高度復雜的運動，其中各運動參量隨時間和空間的變化而變化，形成湍流運動。在研究導管螺旋槳的推力特性時，需要首先建立控制方程湍流模型[1]，分析流場中螺旋槳的數值參數。

1.1 流動控制方程

由于導管螺旋槳工作于近海海域，因此假定流場中的流體為不可壓縮恒定流體，所以只需考慮質量守恒方程和動量守恒方程：

1.2 雷諾應力湍流模型

為了簡化算法，選擇雷諾應力模型，將N-方程中的速度瞬變量分解為平均量和波動量：

2 控制方程的離散

在上述中，建立的控制方程為一組非線性偏微分方程，只知道流場的速度場，我們無法對控制方程進行求解。所以，需要對控制方程進行離散處理，進而對控制方程進行間接求解。

利用有限元體積法，對計算域進行離散化處理，得到離散方程組，利用插值法，間接得到方程的解。

對于有限元體積法的離散處理[2]，動量方程在笛卡爾坐標下表達式為：

式中：φ=1，Γφ為φ的擴散系數；sφ為廣義源項；Fi為流通量和擴建通量的總統量。

3 構造幾何模型

為了對導管螺旋槳在不同進給速度、不同轉速條件下進行數值仿真，需要構建導管螺旋槳進行三維建模。

3.1 獲取螺旋槳三維參數坐標

根據二維工程圖，利用導管螺旋槳切面的葉背值和葉面值進行坐標變換[3]，將工程圖中導管螺旋槳的二維參數轉化為曲面型三維參數坐標值，見表 1。

表1 螺旋槳參數

3.2 導管螺旋槳三維模型

利用Pro/E生成螺旋槳的三維實體模型，將三維模型導入GAMBIT中，利用GAMBIT建模功能完成導管螺旋槳槳轂和導管的三維幾何建模，最后利用GAMBIT中的布爾運算功能將葉片、漿轂以及導管的合并，從而形成導管螺旋槳的三維模型，見圖1。

圖1 導管螺旋槳三維圖 圖2 計算域

4 確定計算域及邊界條件

文中，采用的是Fluent有限元分析中的半陰式求解器，需要設定計算域(見圖2)，劃分網格和設定邊界條件。

4.1 設定計算域

螺旋槳定位為民用推動動力設備，假設螺旋槳置于無限大的淺水流域，為了模擬這一流場且減少邊界的影響，把計算域規定成一個直徑為4D圓柱體，螺旋槳槳軸中心置于離入口4D、離出口5D的圓面圓心處。

4.2 劃分網格

首先在線上布點，生成面網格，最后生成體網格。在靠近螺旋槳的方向上按照1:2對點進行加密。網格類型上，在螺旋槳的周圍區域設置為Tet/Hybrid單元TGrid類型，其他的網格采用四面體網格，利用Cooper生成體網格。

4.3 確定邊界條件

在進口邊界設置為速度進口邊界條件，設置進口速度為v；出口邊界定義為質量流出出口，出口的靜壓力為0;圓柱體側面設置為壁面邊界條件，采用單通道計算域的兩側的矩形切面設置為周期性邊界；流場內部的分割面均設為interior邊界條件。

圖3 網格劃分圖

5 流場數值求解

目前，只知道壓力場，對于螺旋槳的數值模擬計算，我們需要得到速度場。因此利用壓力耦合方程組的半隱式求法，根據壓力場，見圖4～6，求解出離散的動量方程，求得速度場。進而利用基于壓力的隱士求解器，得到流速云圖，由圖7可知，在螺旋槳槳葉的不同位置，流速并不相同。

圖4 槳葉正面壓力 圖5 槳葉正面壓力

圖6 動壓等壓圖 圖7 流速云圖

6 螺旋槳推力特性計算

在得到了速度場的前提下，接著需要得到近海海域導管螺旋槳的推力特性。

首先采用雷諾壓力湍流模型通過計算得到的推力及扭矩，根據推算出推力系數、扭矩系數和敞水效率。計算結果如表2所列。

表2 導管螺旋槳推力表

7 結 語

導管螺旋槳的工作環境為不可壓縮恒定流體，建立了質量守恒方程和動量方程，建立了雷諾應力模型。接著對控制方程緊張了離散處理，構造了幾何模型，設定了計算域和邊界條件，最后，利用壓力耦合方程組的半隱式求法對控制方程進行求解，得到速度場，進而得到近海潛器導管螺旋槳的推力特性。由表2可知，隨著電機額定功率增加，前向推力隨著增加，但是當功率為500～600時，后向推力隨功率的增大而減少。此次研究得到了海海域導管螺旋槳的推力特性，為近海海域潛器控制設計提供了參考。