某表面螺旋槳敞水性能數值計算研究

姬朋輝，袁 帥，馮曉輝

應用研究

某表面螺旋槳敞水性能數值計算研究

姬朋輝，袁 帥，馮曉輝

（濰柴動力股份有限公司 濰坊 261061)

為了了解表面螺旋槳的敞水性能，本文利用通用流體力學軟件STAR-CCM+對標準表面螺旋槳模型841 B進行了敞水性能數值仿真。通過數值計算結果與試驗數據對比分析可知：推力系數Kt、扭矩系數10 Kq的計算結果與試驗值吻合良好，尤其在設計點附近，誤差在4%以內。證明本文提出的數值計算方案可有效與準確的預測表面螺旋槳的敞水性能，方便了表面槳的匹配計算與設計工作。

表面螺旋槳 STAR-CCM+ 敞水性能 數值計算

0 引言

表面螺旋槳又被稱為半浸螺旋槳、半潛螺旋槳等，是一種部分槳葉露出水面部分槳葉處在水中工作的特種螺旋槳[1]。與常規槳相比，表面槳具有以下特點：（1）工作時，槳軸、槳轂以及部分槳葉等結構處在水面上，可有效減小附體產生的阻力；（2）表面槳直徑不再受到浸深、船尾框架的限制，可最大程度上選用最佳直徑，提高螺旋槳效率；（3）槳葉的特殊形狀可有效減少槳葉表面空蝕現象[2]；（4）表面槳本身產生的振動和噪音較小，舒適度高。

表面螺旋槳敞水性能對快艇、水翼艇的快速性計算具有重要意義，但由于其工作時一部分槳葉在水下一部分槳葉在水面上的特殊的工作條件，使其數值仿真存在一定困難。早期對表面槳敞水性能的研究主要依靠實驗方法。如MISRA等[3]通過實船試驗總結出具有楔形剖面槳葉形狀的表面槳敞水性能優良。隨著CFD技術在螺旋槳領域應用的迅猛發展，研究者們逐漸開始使用數值仿真技術開展表面槳的研究。Alimirzazadeh S 等[4]利用商用軟件Open FOAM計算了841B表面槳在不同浸深下的敞水性能，取得了良好的計算結果；施宇翔[5]利用通用流體計算軟件Fluent研究了某5葉表面槳的敞水性能，通過與試驗值對比，計算值精度較高。任振等[6]利用通用流體力學計算軟件STAR-CCM+研究了自然通氣狀態下下半浸槳水動力特性和試驗吻合度較高。

本文使用了現階段通用的流體力學軟件STAR-CCM+，通過求解RANS方程來模擬計算域流場、使用VOF法捕來捉槳后自由液面形態、使用滑移網格技術來模擬表面槳的旋轉運動。對比分析了數值仿真與試驗結果，驗證了本文提出的數值計算方案的有效性與準確性，并分析了841B槳尾流場的自由液面形態及槳葉壓力分布，為后續的表面槳的匹配與設計提供重要參考。

1 數值方法

1.1 研究模型

本文研究對象為標準表面槳模型841B，如圖1所示；Olofsson[7]在瑞典KaMeWa使用自由表面空泡水筒中研究了本槳在浸深比I=0.33（浸深比I=/，為槳葉葉梢到自由液面的距離）工況下的敞水性能并公布了試驗數據。 841B表面槳主要參數如表1所示。

表1 841B表面槳數據

圖1 841B表面槳

1.2 控制方程

表面槳工作時其流場是典型的三維非定常氣液混合兩相流場。其中，空氣和水可視為不可壓縮流體且不考慮水氣兩相之間的能量傳遞，控制方程包括質量守恒方程和動量方程，即：

1.3 網格劃分方案

為保證流體域內流場得到充分發展同時兼顧計算資源、提高計算效率，本文在槳周圍設置了兩個圓柱形流體域，其中：小圓柱體為旋轉域、大圓柱體為靜止域，并在旋轉域與靜止域之間設置交界面以保證能量和質量的交換。靜止域直徑為5.0D，入口距離原點3.5D，出口距離原點7.0D，旋轉域直徑為1.2D，前后端面距槳盤面均為0.5D。流體域采用軟件獨有的切割體網格，旋轉域網格尺寸采用1.2%D，同時網格模板增長率設置為慢方法。槳葉表面尺寸同樣采用1.2%D，并采用特征線加密方式以保證網格的貼體性，并在槳葉表面設置邊界層網格。同時在槳周圍設置與槳同軸的圓柱形加密區，直徑為1.5D。計算域網格總數約為380萬。

圖2 計算域及邊界條件

圖3 局部網格劃分

1.4 邊界條件及湍流模型

如圖2所示，流體域入口設置為速度入口，出口設置為壓力出口，表面槳及槳軸均設置為無滑移壁面。靜止域圓柱形表面設置為對稱面。旋轉域圓柱形壁面與靜止域中的壁面聯合生成交界面（Interface），以保證兩區域的質量與能量傳遞。計算中通過改變入口速度（即進速V）以獲得不同的進速系數J，從而實現計算不同進速系數下的推進性能。

本文選擇SST k-ω湍流模型，該模型考慮了湍流剪力的輸運特性，更適合表面槳周圍復雜流場的模擬。時間模型選擇Implicit Unsteady。整個流場的湍流強度取為0.01，湍流粘度比取為10。本文選擇VOF法來捕捉自由液面，并使用VOF波模型中的Flat波來模擬靜水來流，流場壓力設置為Flat波的靜水壓力，Flat波的速度設置為螺旋槳的進速V。

2 結果分析

2.1 敞水性能

本文計算了841B表面槳在J=0.8～1.2時的敞水性能，并取計算結果中一個旋轉周期內推力系數與扭矩系數的平均值為當前工況點下結果。由圖4可知，Kt、10Kq計算值隨進速J的變化趨勢與試驗值趨勢相同且吻合度高。同時，本文也準確預測出841B表面槳存在一個性能穩定區，對比試驗獲得性能穩定區可知，兩者范圍基本相同。由圖5誤差直方圖可知，Kt與10Kq的誤差均隨著進速系數J的增加由正轉負，但兩者的最大誤差都在10%以內，并且在設計點J=1.05附近誤差控制在4%以內。由上數據可知，本文提出的數值計算方案是有效的、可行的，并且滿足工程精度的需要。

圖4 試驗值與計算值對比

圖5 計算值誤差直方圖

2.2 自由液面

由于表面槳特殊的“杯型”隨邊和氣液兩相流的工作條件，在表面槳槳葉吸力面形成空氣腔。該空氣腔與空氣相連通，并在螺旋槳的帶動下呈螺旋狀向下游擴散。如圖7示螺旋狀空氣腔在向下游擴散過程中，空氣腔的直徑先增大再減小直至逐漸消失。在自由液面上方也可以看到，離槳盤面越遠自由液面上方的飛濺越大，而后逐漸消散。綜合分析，本文提出的數值方案基本模擬出的尾流形態與槳后實際尾流形態、消散趨勢保持相同。

圖6 表面槳后真實自由液面形態

圖7 It=0.33和J=0.8時自由液面形態

2.3 槳葉面壓力分布

圖8展示了J=0.8時某一槳葉在不同相位下槳葉表面壓力云圖。由此分析如下：相位角為90°時，槳葉處在臨近入水狀態，此時僅在螺旋槳與水接觸的導邊周圍出現了壓力變化；相位角為180°時，槳葉完全處在水中，由于螺旋槳旋轉的影響高壓區集中在壓力面葉梢附近且壓力沿徑向向內降低，從隨邊到導邊壓力呈現出先降低后升高的趨勢；相位角為270°時，槳葉大部已脫離水面，自由液面由于“杯型”隨邊的帶動有所抬升，因此在壓力面葉梢處出現了高壓區；相位角為360°時，槳葉完全脫離水面暴露在空氣中，此時吸力面和壓力面僅與空氣接觸受力均勻。

3 結論

本文基于通用流體力學軟件STAR-CCM+提出了一套數值模擬方案，并對標準表面槳841B進行了非定常氣液兩相混合流場的數值模擬，并對比分析試驗與計算結果，結論如下：

（1）在J=0.8～1.2范圍內，Kt與10Kq的最大計算誤差均在10%以內，在設計點J=1.05計算誤差僅為3.9%，計算誤差滿足工程使用的需要，證明了本文數值模擬方案的有效性；

（2）本文提出的數值方案基本模擬出槳后尾流形態并和實際尾流形態吻合度較高；

（3）本文分析了不同相位下槳葉壓力分布變化，為表面槳槳葉的優化設計及強度校核提供重要數據參考。

[1] 史宗鷹，張金濤，姚明珠.半浸槳推進裝置的產品特點與應用情況[J].中國水運. 2023, (03): 63-65.

[2] 丁恩寶, 唐登海, 周偉新. 半浸式螺旋槳研究綜述[J]. 船舶力學, 2002, 6(2): 75-84.

[3] Misra S C, Gokarn R P, Sha O P, et al. Development of a four-bladed surface piercing propeller series[J]. Naval Engineers Journal, 2012, 124: 111-141.

[4] Alimirzazadeh S, ROSHAN S Z, SEIF M S. Unsteady RANS simulation of a surface piercing propeller in oblique flow[J]. Applied Ocean Research, 2016, 56: 79-91.

[5] 施宇翔.半浸式螺旋槳水動力性能的數值模擬研究[D]. 杭州: 浙江大學航空航天學院, 2014.

[6] 任振，王超，萬德成，袁煜明. 自然通氣狀態下半浸槳水動力特性數值分析[J].上海交通大學學報. 2018, 52 (06): 636-642.

[7] Olofsson N. Force and flow characteristics of a partially submerged propeller[D]. Goteborg, Sweden: Chalmers University, 1993.

Numerical calculation of open water performance of a surface propeller

Ji Penghui, Yuan Shuai, Feng Xiaohui

(Weichai Power Co., Ltd，Weifang 261061，China)

V211.4

A

1003-4862（2023）10-0045-03

2023-03-13

姬朋輝（1991-），男，工程師。主要從事：船機槳匹配設計、流體仿真研究等工作。E-mail：15762590866@163.com