推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)自動(dòng)化平臺(tái)PreFluP開(kāi)發(fā)

劉登成，韋喜忠，洪方文，唐登海

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省綠色船舶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082）

推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)自動(dòng)化平臺(tái)PreFluP開(kāi)發(fā)

劉登成，韋喜忠，洪方文，唐登海

（中國(guó)船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/江蘇省綠色船舶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214082）

文章對(duì)各種推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)流程進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化研究，結(jié)合UG、GAMBIT和FLUENT商用軟件的批處理命令，開(kāi)發(fā)了推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)自動(dòng)化平臺(tái)PreFluP，該平臺(tái)可快速預(yù)報(bào)調(diào)距槳、導(dǎo)管、導(dǎo)管槳、吊艙推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器水動(dòng)力性能及船舶阻力性能。該平臺(tái)各模塊均得到了大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，具有較高的精度。

推進(jìn)器；水動(dòng)力性能；數(shù)值預(yù)報(bào)；自動(dòng)化

0 引 言

船舶推進(jìn)器水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)是推進(jìn)器設(shè)計(jì)階段的一個(gè)重要內(nèi)容，它可以對(duì)設(shè)計(jì)出的多方案進(jìn)行水動(dòng)力性能評(píng)估，最后選擇出性能較優(yōu)的方案進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，如果在多輪設(shè)計(jì)過(guò)程中對(duì)每一個(gè)設(shè)計(jì)方案都進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，這勢(shì)必花費(fèi)很大的人力和物力，并且設(shè)計(jì)周期將會(huì)很長(zhǎng)。

近年來(lái)CFD方法迅速發(fā)展，在船舶推進(jìn)器等領(lǐng)域已邁向?qū)嵱没?，許多成熟的計(jì)算流體商用軟件被廣泛地應(yīng)用，如FLUENT、CFX和Star-CD等[1-5]。計(jì)算流體分析過(guò)程可分為幾何建模、網(wǎng)格劃分和求解器設(shè)置三大主要步驟。在計(jì)算流體商用軟件中對(duì)幾何建模、網(wǎng)格劃分和數(shù)值格式等方面的算法以及程序的編制都有效地封裝起來(lái)了，但網(wǎng)格模式、網(wǎng)格劃分的參數(shù)設(shè)置、數(shù)值求解算法的選擇和湍流模式的選擇等與具體求解問(wèn)題有極大關(guān)系，這些方面還是需要由使用者決定。這些方面往往對(duì)最后的分析結(jié)果的精確性有決定性的影響，并且使用的模式和選擇的方案會(huì)因問(wèn)題而異，它們的確定要以流體力學(xué)理論和數(shù)值求解理論為基礎(chǔ)。也就是說(shuō)在船舶CFD技術(shù)較為成熟的今天，船舶推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)精度仍然依賴于分析者的個(gè)人經(jīng)驗(yàn)。

有鑒于此，中國(guó)船舶科學(xué)研究中心開(kāi)發(fā)了推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)平臺(tái)PreFluP，該平臺(tái)以FLUENT流體分析商用求解器為核心，集成UG的幾何建模功能和GAMBIT的網(wǎng)格劃分功能，在總結(jié)了大量推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值分析事例的基礎(chǔ)上，通過(guò)各商用軟件提供的宏語(yǔ)言把適合于推進(jìn)器水動(dòng)力數(shù)值分析的幾何建模、網(wǎng)格劃分和求解器設(shè)置等過(guò)程固定化和自動(dòng)化，為船舶推進(jìn)器水動(dòng)力性能分析提供了一種方便和快捷的數(shù)值分析工具，大幅度地節(jié)省人工參與時(shí)間。同時(shí)它對(duì)使用者的CFD專業(yè)背景知識(shí)要求降低，使用者只要經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)短的培訓(xùn)就可以成功地實(shí)現(xiàn)推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值分析，并且保證了不同的使用者預(yù)報(bào)同一對(duì)象結(jié)果完全一樣。使用時(shí)只需按要求準(zhǔn)備推進(jìn)器幾何數(shù)據(jù)和給定計(jì)算工況，調(diào)用該模塊便能自動(dòng)地快速地進(jìn)行推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)。

1 PreFluP平臺(tái)功能

經(jīng)過(guò)多年的開(kāi)發(fā)，PreFluP已初具規(guī)模，可數(shù)值分析常用推進(jìn)器水動(dòng)力性能，該平臺(tái)的圖形用戶界面包含以下四部分：工具欄、模擬對(duì)象選擇面板、操作窗口以及狀態(tài)欄，圖1給出PreFlup平臺(tái)的主界面。圖2給出了PreFluP程序結(jié)構(gòu)，表1簡(jiǎn)介了PreFluP平臺(tái)功能。由于各種推進(jìn)器模塊結(jié)構(gòu)類似，下面只介紹螺旋槳敞水模塊和船舶阻力模塊。

圖1 PreFluP平臺(tái)的主界面Fig.1 GUI of PreFluP

圖2 PreFlup平臺(tái)流程圖Fig.2 Flowchart of PreFluP

表1 PreFlup平臺(tái)功能簡(jiǎn)介T(mén)ab.1 Function of PreFluP

2 螺旋槳敞水模塊簡(jiǎn)介

圖3為螺旋槳模塊主界面，圖4給出了單槳模塊下直航、斜流和伴流功能設(shè)置界面，圖5給出了調(diào)距功能設(shè)計(jì)界面，其中有兩種方式實(shí)現(xiàn)調(diào)距：一是指定某半徑的螺距比，二是指定調(diào)距角度。

螺旋槳敞水性能數(shù)值預(yù)報(bào)所采用的計(jì)算域如圖6所示，采用混合網(wǎng)格，包含螺旋槳的計(jì)算區(qū)域采用四面體的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，如圖7所示。

圖3 螺旋槳模塊主界面Fig.3 GUI of propeller model

圖4 直航、斜流、伴流功能設(shè)置界面Fig.4 GUI of setting oblique flow and wake

圖5 調(diào)距功能設(shè)置界面Fig.5 GUI of setting CPP

圖6 螺旋槳敞水計(jì)算區(qū)域Fig.6 Calculation region of propeller

圖7 螺旋槳的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.7 Topology structure of propeller

3 船舶阻力模塊簡(jiǎn)介

圖8為船舶阻力模塊主界面，圖9給出了自由面設(shè)置界面。圖10為船舶阻力計(jì)算域及邊界條件，圖11為船舶阻力計(jì)算的網(wǎng)格拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖8 船舶阻力模塊主界面Fig.8 GUI of ship resistance model

圖9 自由面設(shè)置界面Fig.9 GUI of setting free surface

圖10 船舶阻力計(jì)算域及邊界條件Fig.10 B.C.and region of ship resistance cal.

圖11 船舶阻力計(jì)算網(wǎng)格Fig.11 Mesh of ship resistance cal.

4 算例分析及試驗(yàn)驗(yàn)證

采用開(kāi)發(fā)的推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)平臺(tái)PreFluP對(duì)各種推進(jìn)器水動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，開(kāi)發(fā)的推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)平臺(tái)PreFluP得到了試驗(yàn)驗(yàn)證，具有較好的工程應(yīng)用價(jià)值，在推進(jìn)器設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了實(shí)際應(yīng)用，大大縮短了推進(jìn)器設(shè)計(jì)、水動(dòng)力評(píng)估時(shí)間。圖12～14分別為調(diào)距槳模塊、導(dǎo)管槳模塊和吊艙模塊的試驗(yàn)驗(yàn)證，表2為船舶阻力模塊試驗(yàn)驗(yàn)證。文中試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)自來(lái)歐盟JIP-CDpropeller項(xiàng)目[6]。

表2 船舶阻力模塊試驗(yàn)驗(yàn)證Tab.2 Comparison of test data of ship resistance model results

圖12 調(diào)距槳模塊試驗(yàn)驗(yàn)證Fig.12 Comparison of test data of propeller model results

圖13 導(dǎo)管槳模塊試驗(yàn)驗(yàn)證Fig.13 Comparison of test data of ducted propeller model results

圖14 吊艙模塊試驗(yàn)驗(yàn)證Fig.14 Comparison of test data of pod propeller model results

5 結(jié) 語(yǔ)

采用對(duì)各種推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)流程進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化研究，結(jié)合UG、GAMBIT和FLUENT商用軟件的批處理命令，開(kāi)發(fā)了推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值預(yù)報(bào)自動(dòng)化平臺(tái)PreFluP，該平臺(tái)可快速預(yù)報(bào)調(diào)距槳、導(dǎo)管、導(dǎo)管槳、吊艙推進(jìn)器和泵噴推進(jìn)器水動(dòng)力性能及船舶阻力性能。應(yīng)用該平臺(tái)，對(duì)各種推進(jìn)器水動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，該平臺(tái)具有很好的快速反應(yīng)性和較高的精度。該平臺(tái)已形成商用軟件包，在推進(jìn)器設(shè)計(jì)過(guò)程中得到了實(shí)際應(yīng)用，大大縮短了推進(jìn)器設(shè)計(jì)、水動(dòng)力評(píng)估時(shí)間。本平臺(tái)可為船舶行業(yè)提供咨詢服務(wù)。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1]Liu Dengcheng.The CFD analysis of propeller sheet cavitation[C]//Proceedings of the 8th International Conference on Hydrodynamics.France Nantes:Goubault Imprimeur,2008:155-162.

[2]Berchiche N.Numerical predictions of crashback propeller flow and loadings[C]//Proceedings of the 8th International Conference on Hydrodynamics.France Nantes:Goubault Imprimeur,2008:155-162.

[3]郭春雨.拖式吊艙推進(jìn)器直航狀態(tài)下水動(dòng)力性能數(shù)值計(jì)算[C]//第二十一屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì).北京:海洋出版社, 2008:670-676.

[4]劉登成.帶前置定子導(dǎo)管槳梢隙流動(dòng)數(shù)值分析[C]//第二十一屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì).北京:海洋出版社,2008:695-703.

[5]劉登成.伴流下螺旋槳非定常力粘性數(shù)值方法研究[C]//第二十三屆全國(guó)水動(dòng)力學(xué)研討會(huì).北京:海洋出版社,2011: 148-155.

[6]Dang J,van Duijning R.Wageningen propeller C4-70 series feathering test results[R].MARIN report.Report No.25169, 2013.

Develop on thruster hydrodynamic performance automatically numerical predicted platform PreFluP

LIU Deng-cheng,WEI Xi-zhong,HONG Fang-wen,TANG Deng-hai
(National Key Laboratory on Ship Vibration&Noise;Jiangsu Key Laboratory of Green Ship Technology, China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

The numerical predicted flow of thruster hydrodynamic performance is researched.Make use of batch file form UG,GAMBIT and FLUENT software,thruster hydrodynamic performance automatically numerical predicted platform PrePluP was developed,which can fleetly predicted hydrodynamic performance of controllable pitch propeller,isolated duct,ducted propeller,pod propeller and ship.The predicted results are in good agreement with the experiment data.

thruster;hydrodynamic performance;numerical prediction;automation

U664.3

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2016.07.004

1007-7294（2016）07-0816-08

2016-03-09

劉登成（1982-），男，高級(jí)工程師，E-mail：edon_001@163.com；韋喜忠（1982-），男，高級(jí)工程師。