基于RANS法毂帽鳍节能性能参数匹配研究.docx

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1、基于RANS法毂帽鳍节能性能参数匹配研究胡俊明，李铁骊，林焰，郭灯，杜祥进(大连理工大学船舶工程学院，大连6024)摘要：数值剖析毂帽鳍节能装置作用机理，研究参数性能匹配问题，应用雷诺时均法处理数值粘性绕流场，建模阶段采用FORTRAN语言编制螺旋桨毂帽鳍型值点数据处理程序以便GAMBIT前处理软件进行接口，对标准B4-40螺旋桨进行数值验证和分析比较某特种螺旋桨不同叶数参数性能数值计算结果，进而研究毂帽鳍参数匹配问题，研究不同鳍叶直径和不同安装角对桨效率变化的影响，分析压力场和尾流场的变化状况，结果表明：大小合适的鳍叶直径和合理的安装角明显提高其推进效率，具有工程实用性。关键词：螺旋桨；毂帽

2、鳍；RANS法；参数匹配；节能效率中图分类号：U661.3文献标志码：ADOI10.13788j.2015.Z.005Numerica1StudyoftheEnergy-SavingPerformanceofparametermatchingofPBCFbasedonRANSmethodHUJun-ming,1ITie-Ii,1INYan,GUODeng,DUXiang-jin(Da1ianUniversityOfTeehnC)IOgWShiPandEngineeringCo11ege,Da1ian116024,China)Abstract:Numerica1ana1ysisofenergy-

3、savingmechanismofPrope11erBossCapFinsandstudyofperformanceparametersmatchingprob1emintheviscousf1owfie1darebasedonRANSmethod.ThedatapointsOfprope11erBossCapFinswereca1cu1atedbyFORTRANprogramwithspecificdataformat,whichwereusedtosetupgeometryinGambitduringthemode1ingphase.TheB4-40standardPrope11eriss

4、imu1atedandtheresu1tsarecomparedwiththetests.Theresu1tsofspecia1prope11erwithdifferentb1adesarecomparedandtheparametermatchingprob1emofPBCFisstudied.Thecorrespondingchangesofpropu1sionefficiencyarestudiedontheconditionofvariousdiametersandang1esoffins,thepressuredistributionandwakesareana1yzed.There

5、su1tsshowthattherightsizediameterandreasonab1einsta11ationang1eoffinssignificant1yimproveitspropu1sionefficiencyandwithengineeringpractica1ity.Keywords:Prope11er;Prope11erbosscapfins;RANSmethod;Parametermatching;Energyefficiency0引言近年来，随着能源过度开采和利用低下，全球环境的恶化，迫使人类提出节能减排的措施，对船舶行业，船舶能效设计指数(EEDI)的提出Q使我国造船

6、业面临严峻挑战，对船舶节能效率的研究成为当下重要的研究课题。毂帽鳍作为一种节能装置，于1987年由日本三井造船研制提出，具有结构和安装简便、成本低廉、效率高等优点，适用于船舶推进性能的研究，且具有降低尾流速度以减小毂涡形成和产生与螺旋桨相同扭矩以提高推进性能的作用机理2句。随社会的进步和计算机的发展，计算流体力学(CFD)成为现阶段研究粘性绕流场的一种重要手段,其经济性好、应用范围广，且数值结果能很好的满足工程需求。本文采用有限体积法和二阶迎风差分格式的计算流体力学程序求解RANS方程,应用FORTRAN语言编制螺旋桨毂帽鳍型值点数据处理程序，数值验证标准B4-40螺旋桨和分析比较不同叶数某特

7、种螺旋桨的敞水性能，进而研究毂帽鳍参数匹配问题，研究其节收稿日期：2014-07-21；修回日期：2015-06-基金项目：渔业节能关键技术研究与重大装备开发()，国家公益性行业科研专项；国家自然科学基金()，国家自然科学基金委员会。作者简介：胡俊明(1985-),男，博士研究生。研究方向：船舶与螺旋桨水动力性能研究。能效率，为实际工程应用提供技术价值。1控制方程螺旋桨在粘性均匀来流场中以一定转速做旋转运动,其连续方程和粘性流体RANS方程表达式如下：2+)+2=0(1)x1x2x3uiz、dp夕三+(夕”勺)=+OtoxjoxiuirxrT-(Zzpuiuj)+fiOXjOXj式中：出、均为

8、速度分量时均值(，J=1,2,3)；夕是流体密度；为静水压力；为流体粘性系数；W为脉动速度；力是质量力，夕府为雷诺应力项。雷诺应力对于求解螺旋桨敞水性能至关重要，本文应用RNGk-湍流模型把时均值和脉动值联系在一起，使RANS方程封闭可解。2模型基本参数本文以五叶特种螺旋桨为母型，保持盘面比和桨叶直径不变，螺旋桨叶数的选取通过改变不同半径处桨叶叶切面弦长来确定,进而选取效率最佳的螺旋桨,在此给出最佳五叶浆和鳍的基本参数如表1所示。表1桨和鳍的基本参数基本参数DtD1(28%Z)r)Z2(30%Or)Z3(33%D)Z)4(35%Z)r)直径/m1.230.34440.3690.40590.43

9、05螺距比(0.7R)1.450.75880.75880.75880.7588叶数/个55555叶剖面形式NACA66NACA66NACA66NACA66NACA663数值处理方法3.1 模型建立根据螺旋桨坐标转换方程，详见参考文献，应用FoRTRAN语言编制桨叶、鳍叶和浆毂数据转换程序，实现二维到三维坐标的转换，其型值点数据以特定格式*dat输出，其文件输出格式如下：2040.0.0.181其格式数据第一行中4表示有4条曲线，20表示每条曲线由20个三维坐标点组成方当曲线上坐标点数目不同时，应重新输入其数值，如下面行中的181,表示只有一条曲线，这条曲线由18个点组成，其余行中数据代表X、Y

10、、Z的坐标值，基于此数据格式导入GAMBrr建模软件，它会自动遵循数据点格式，生成相应的曲线形式，进而生成光滑的螺旋桨模型，其所建模型遵循右手直角坐标系，Z轴为旋转轴且负方向为来流方向，本文给出四叶浆、六叶浆、七叶浆三维模型和五叶浆与鳍的整体模型，如图1所示。图1螺旋桨三维模型图(d)五叶浆与鳍整体模型3.2 域及网格划分域及网格划分影响数值结果的稳定和精度，本文基于采用同样的计算域及网格划分方式处理不同叶数的螺旋桨，其计算域由四部分圆柱体组成。其中前域、中间域和后域为静止域，中间小圆柱为旋转域，静止域直径为6D旋转域直径为2D前域、中间域和后域的长度分别为20、30和5DJD为螺旋桨直径。网

11、格划分采用分块化网格，因桨叶和鳍叶三维曲面的复杂，对它们表面网格进行细化处理，并采用三角形非结构化网格，取其网格尺寸为0.02D,浆毂面网格尺寸为0.04D,旋转域采用非结构化体网格，其柱面为四边形结构化网格，大小为O1D静止域为结构化体网格。为提高计算精度，在桨叶和鳍叶表面划分边界层，应用壁面函数法，根据y+取值范围(30-500),取边界层第1层网格高度为QOO1m。数值过程旋转域与螺旋桨之间相对转速为零并按照MRF模型绕Z轴以一定的角速度旋转，域及网格划分图如因是数值过程参数模型的简化和高速状态下空泡现象的产生，但数值结果总体误差不大，与试验值吻合较好,表明基于此方法研究螺旋桨敞水性能具

12、有可行性。批注yang2:图中文字改成中文J试验值Kt误差试验值106误差试验值o误差0.30.39090.3852-1.45%0.65590.65620.05%0.28460.2803-1.52%0.40.36510.3591-1.66%0.62300.62580.44%0.37310.3653-2.09%0.50.33620.3292-2.08%0.58600.59521.58%0.45650.4401-3.60%0.60.30430.2965-2.56%0.54430.55612.17%0.53390.5091-4.63%0.70.26980.2620-2.90%0.49750.5114

13、2.79%0.60420.5708-5.54%0.80.23300.2260-3.01%0.44510.45903.12%0.66640.6137-5.93%0.90.19410.1876-3.35%0.38670.40083.65%0.71890.6443-6.74%2域及网格模型图表2B4-40螺旋桨数值计算结果2所示。4数值结果分析口.4.1 数值方法验证为验证基于此方法数值可行性和可靠性，本文对标准B4-40螺旋桨进行数值模拟计算，选取浆的转速为450rmin,进速系数0.309,由数值结果得到的推力和扭矩通过公式转化为推力系数K八转矩系数Kq和敞水效率0,其数值如表2所示。可以看出、

14、如的数值计算结果较试验值略小，Kg的数值结果反较试验值略大，且随进速系数增大，误差有所增加，其原4.2 不同叶数螺旋桨数值结果分析对不同叶数螺旋桨敞水性能效率的数值研究，其目的在于选取敞水性能效率最佳的螺旋桨参数，为毂帽鳍参数匹配研究奠定基础。本文选取桨叶叶数为推力系数K最小，七叶浆最大；图3(b)中扭矩系数Kg与推力系数K性能曲线发展趋势基本一致,但基于图3(c)能看出其五叶浆整体效率比其它三浆效率高，四叶桨在进速系数J0.6时其效率比六叶桨、七叶桨47,螺旋桨转速一致为750rmin,进速系数0.11.0,好，但在低进速系数时效率低下，七叶浆其总体水动力性能较差。(a)Kt(c)M(b)K

15、q图3螺旋桨敞水性能曲线图依据所得的计算结果绘制螺旋桨敞水性能曲线图Kt.Kg和0,如图3所示。由图3(a)中可以看出,批注yang3:图中横纵坐标名的参数用斜体4.3 毂帽鳍参数匹配研究根据不同叶数螺旋桨敞水性能曲线结果，本文选取效率最佳的五叶浆研究毂帽鳍节能性能，选取四种不同鳍叶直径，鳍叶安装角分别为35。、40。、45。、50。、55。、57。、60。、65,因轴向距离对数值结果影响不大，根据桨叶直径选取合适轴向距离56mm,转速750rmin,进速系数0110,相比无鳍五叶浆数值结果绘制敞水效率增量图4从图中看出，对于任何鳍叶直径，安装角40。、45。、50。、55。各个进速系数下其效率增量能达到较满意的结果，且进速系数J=0.3时，/1、Dq2和DTq4其效率增量存在