螺距與拱度對螺旋槳水動力性能影響研究

武 璇，仉永超，靳良真，李廣輝

(濰柴重機股份有限公司，山東 濰坊 261108)

0 引言

基于環流理論設計螺旋槳的過程中，要使螺旋槳的性能達到最佳狀態，應合理選擇螺旋槳各參數的分布形式。影響螺旋槳性能的參數主要有槳轂形狀、盤面比、側斜和縱傾等，在螺旋槳的優化設計中必須首先知道這些參數對螺旋槳水動力性能和空泡性能的影響。

王超等基于速度勢面元法研究了側斜與縱傾對螺旋槳水動力性能的影響。胡健等基于CFD方法，探討了縱傾螺旋槳敞水性能和空化性能的影響。王詩洋等基于速度勢面元法，研究了螺旋槳幾何參數對其水動力性能的影響。以上文獻研究了螺旋槳幾何參數，并取得一系列成果，但對葉切面參數對螺旋槳水動力性能的影響研究較少。為此，本文以KP505螺旋槳為原型，借助CFD軟件對螺旋槳的水動力性能進行數值模擬，并探討不同螺距、拱度的徑向分布對螺旋槳水動力性能的影響，總結各性能參數的變化規律。

1 控制方程

在螺旋槳水動力性能數值模擬過程中，流體均視為不可壓縮流體，因此基本控制方程包括連續性方程和動量守恒方程，如下所示：

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：

μ

為湍流粘度；

G

為由平均速度梯度引起的湍動能

k

的生成項；

C

、

σ

、

σ

為常數，分別等于1.9、1.0、1.2。

2 幾何模型建立

本文以KP505螺旋槳為研究對象，其模型主要參數如下：直徑0.25 m，葉數5，盤面比0.8，側斜角32°，螺距比0.996 7，翼型NACA66。

根據文獻[7]提供的螺旋槳的幾何參數，且已知NACA66翼型的拱度、厚度沿弦長的分布形式，便可以通過計算得到各切面二維坐標；然后根據坐標轉換公式，通過Fortran自編代碼計算槳葉離散點三維坐標(其中：

x

軸指向螺旋槳后方，

y

軸垂直向上，

z

軸按照右手定則)；最后將槳葉的三維坐標點導入UG軟件中，通過三維坐標點生成螺旋槳曲面，并進行曲面縫合、實體陣列生成實體三維模型。考慮槳轂對推進器水動力性能的影響較小，本文采用假定的槳轂進行三維建模。在三維軟件中建立的KP505螺旋槳空間坐標點及三維幾何模型見圖1。

圖1 KP505螺旋槳空間坐標點和三維幾何模型

3 螺旋槳水動力性能數值模擬

3.1 計算域與邊界條件設置

本文采用STAR-CCM+軟件對螺旋槳水動力性能進行數值模擬時，流場計算域的大小劃分見圖2。將計算域劃分為靜止域和旋轉域，且均為圓柱體。為了更好地模擬螺旋槳復雜的尾流流動，本文設置速度入口與槳盤面的距離為5

D

(

D

為螺旋槳直徑)，壓力出口與槳盤面距離為13

D

，靜止區域半徑為3

.

5

D

，旋轉區域的軸向距離為0

.

6

D

，旋轉區域直徑為1

.

2

D

。對該區域采用動參考系模型(Moving Reference Frame，MRF)方法設置旋轉坐標系，實現螺旋槳的旋轉運動。

圖2 計算域劃分示意圖

邊界條件的設置：計算域軸向上游邊界設為速度入口，以給定進口邊界上各節點的速度值；軸向下游邊界設為壓力出口；槳葉、槳轂表面均設為無滑移壁面；靜止域周向邊界設為對稱平面；靜止域和旋轉域相互接觸界面均設置為交界面以傳遞數據信息，從而保證流動的連續性。

3.2 網格劃分與無關性驗證

圖3 計算域軸向網格劃分示意圖

表1 3種不同密度網格數量

不同網格密度進行網格無關性驗證時，螺旋槳轉速取

n

=20 rad/s，且在計算中保持轉速不變，通過改變入口速度值來得到不同的進速系數。不同網格密度的螺旋槳水動力性能計算結果與試驗值誤差見表2(KP505敞水試驗數據來自文獻[9])。由表2可知：在進速系數

J

=0.3～0.7工況下，3種網格密度計算所得到的結果均與試驗值吻合較好，誤差均在5%以內，僅粗密度網格所對應的計算結果與試驗值誤差稍微偏大；而中密度與細密度網格所對應的計算結果與試驗值誤差并無明顯減小，反而出現波動現象。在

J

=0.9工況下，3種網格密度計算所得到的值均出現誤差較大現象。這是因為在螺旋槳敞水性能計算過程中，所采用的湍流模型均基于湍流充分發展的前提下，而對于螺旋槳槳模敞水試驗中存在層流區域和過渡區域，因此采用充分發展的湍流模型會導致螺旋槳敞水數值模擬誤差偏大。但整體而言，隨網格密度的增加，其數值計算精度并未明顯改善。由于計算資源的限制，本文選用中密度網格進行后續計算研究。

表2 不同網格密度下KP505螺旋槳水動力性能計算結果

3.3 不同螺距與拱度的徑向分布

為討論螺距、拱度分別對螺旋槳水動力性能的影響，在其他參數不變的情況下，只改變螺旋槳螺距、拱度的徑向分布。為了便于分析與比較，在原母型槳螺距、拱度的基礎上，分別選取了0.9倍和1.1倍徑向螺距分布0.6倍和1.4倍徑向拱度分布。螺距、拱度沿徑向的分布形式見圖4。

r—螺旋槳任意處的半徑；R—螺旋槳半徑。

3.4 螺距與拱度對螺旋槳水動力性能影響分析

J

=0.1～1.1時不同螺距下對應的敞水曲線見圖5。從計算的敞水曲線結果可以看出，

K

、

K

和

η

隨

J

的變化規律一致且與常規圖譜槳的敞水圖譜隨螺距的變化規律一致。隨著螺旋槳的螺距增大，其推力和轉矩系數均明顯增大。另外，在螺旋槳盤面比不變的情況下，增加螺距會導致螺旋槳單位面積的平均推力增大，使得葉元體最大減壓系數增大且更易產生空泡現象。而對于敞水效率而言，在中、低進速系數下，螺距越小，效率越高，其最高效率點隨螺距的增大所對應的

J

也隨之增大。

圖5 不同螺距下螺旋槳敞水曲線對比

J

=0.1～0.9時不同拱度所對應的敞水曲線見圖6。從計算的敞水曲線結果可以看出：

K

、

K

和

η

隨進速系數

J

的變化規律一致。另外，隨著螺旋槳的拱度增大，其推力和轉矩系數均明顯增大；而對于敞水效率而言，在最高效率點之前，效率隨著拱度的增加而降低，其效率值變化幅度較小。

圖6 不同拱度下螺旋槳敞水曲線對比

從

J

=0.4時不同拱度下槳葉表面壓力分布可知：隨著葉切面拱度的增大，導致螺旋槳槳葉表面壓力特性的變化，其葉面的壓力沿弦長方向的變化較為明顯，葉面、葉背的高壓區域由隨邊向導邊過渡，導致螺旋槳葉面、葉背的壓力差增大，所以導致螺旋槳推力的增大。另一方面，隨著葉切面拱度的增大，槳葉切面上的水流速度過快,葉背壓力明顯下降,使得葉背更易達到水的汽化壓力臨界值，進而導致葉背區域的空泡出現更早且面積更大；槳單位面積上承受壓力過大引起的空泡，除了會產生螺旋槳的空泡剝蝕外,同時會誘導槳產生空化噪聲。所以在螺旋槳設計優化時應選擇合適的拱度比，以設計出性能最佳的螺旋槳。

4 結論

(1)通過網格無關性驗證，得到計算誤差基本在5%以下，驗證了本文所建立的幾何模型、數值模型對數值求解的準確性。

(2)盤面比不變時，隨螺距、拱度的增大，螺旋槳推力顯著增大，其單位面積上的平均推力增大，導致葉切面的最大減壓系數增大且更易產生空泡。

(3)在中、低進速系數下，螺距越小，敞水效率越高；而隨拱度的增大，敞水效率無明顯變化。