非均匀粘性流场螺旋桨非定常水动力性能研究.docx

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1、非均匀粘性流场螺旋桨非定常水动力性能研究解学参，姜治芳，邱辽原(中国舰船研究设计中心，武汉43M)摘K：基于RANS方程和RNG%:湍流模型，采用结构非结构多块混合网格研究了相后非均匀流场中蝶放桨的非定常水动力性能。计算了DTMB4119螺放桨的散水性能，考察了网格依赖性。采用停立叶交换进行了螺旋桨伴流场的谐调分析，并结合UDF功能实现了模型试脸伴流场的输入。采用滑移网格技术模拟了非均匀流场中HSP蝶旋桨的非定常特性。计算结果与试验结果的比较表明，建立的船后螺旋桨的非定常受力及表面压力分布计算方法精度较高，能够满足工程应用要求。关词：螺旋桨；非均匀流场：非定常性能：RANS中图分类号：U661

2、.43文标志码：ADO11StudyonPrope11erUnsteadyPerformanceinViscousNon-uniformWakeXIEXue-shen,JIANGZhi-fang,QIU1iao-yuan(ChinaShipDcvdopincntandDesignCenter,Wuhan430064.China)Abstract:ePmpeHerunsteadyperfonuceiniu)n-unifi)rniwakewaspredictedbyusingtheRANSadRNGk-turbu1encemode1basedonmu1tibkckhybridmeshes.Theo

3、penwerperfonmuceofDTMB4119prope11erhuvca1cu1atedandthegriddependenceHSinfestigated.Theiion-unifbnnWakeimportedbyUDFfinctioncombinedWiIh1ammicana1ysisofshipwakefie1dbasedonFouriertrsfanmethod.Thenukingmeshingnie1wasusedtosimu1atetheunsteadycharacteristicsofp)pe11erHSRThecomparisonsbetweenca1cu1ationr

4、esu1tsandexperimentresu1tsindicatethatthenumerica1methodpresentedinthisPaPerhasgoodaccuracyinthepredictionofprope11erUfisteadyJdrceandpressurecoefficientbehindship,andthemetIuutcansatisfytheac1tMneedsofengineeringapp1ication.Keywords:PmpeHer：non-uniform：Utisteadyperformance;RANSO引盲陵着船舶航速及排水量的不断提高，螺旋

5、桨负荷增加，不少船舶产生了振动，1972年HUse的研究表明该振动并不是由共振引起，而是由螺旋桨在非均匀伴流中运转导致的H1运转于非均匀流场中的螺旋桨易产生空泡，非定常空泡的产生将直接导致船尾振动加剧和螺旋桨噪声升高，因此准确预报船后非均匀流场中的螺旋桨性能对改善螺旋桨空泡、噪声性能有重要意义。螺旋桨非定常性能的模拟目前主要采用势流理论面元法，Hoshino.苏玉民、谅廷寿、熊鹰等采用面元法对螺旋桨非定常性能进行预报H叫但势流理论对流体粘性的考虑不充分，随着计算机能力的提高，通过对RANS方程的数值求解来获得螺旋桨性能已成为推进领域研究的热点问题，Mikkeken等人用RANS方程研究船后螺旋

6、桨性能时，在桨前方用一个鼓动盘来产生所需的非均匀船体伴流，计算结果显示这种方法可以用于研究工作于蛤后尾流场中的螺旋桨。张志荣等应用准定常、滑移网格和动网格三种方法分析了大恻斜螺旋桨在斜流条件下的非定常水动力性能，计算结果显示滑移网格和动网格能较好地模拟螺旋桨斜流条件下的非定常特性，精度较势流有所提高。沈海龙同采用船桨整体建模及UDF方法实现了螺旋桨非定常水动力性能的计算，并与面元法进行了比较，但缺乏定地数据。胡小菲等人必用给定的非均匀流场作为输入实现了螺旋桨非定常力的模拟，探讨了网格的依赖性，计算结果精度良好，但所用伴流仪为非均匀轴向流场。本文通过伴流场的谐调分析结合用户自定义函数(UDF)功

7、能实现了非均匀流场的输入，采用滑移网格技术模拟螺旋桨的旋转，实现了船后粘性流场螺旋桨非定常性能的数值仿真，非定常力及压力分布计算结果与面元法及试验结果对比结果表明本文方法具有较高的精度。1雌Mfii:在建立的计算域内，不可压缩的牛顿流体运动满足质量守恒方程和动量守恒方程，即RANS方程组：W+gs“,)=oStxi雷34)+斗小”=一岁+W”伊+&-4纠+(一/初UtCXsCX1OX11(GT13x1JJOXjRANS方程中引入了关于湍流脉动值的宙诺应力项一夕前，这是一个新的未知量。要使方程组封闭，必须对雷诺应力项作出某种假定，即建立应力的表达式，从而把湍流的脉动值和时均值等联系起来。本文应用

8、由Boussincsq提出的涡粘模型确定雷诺应力和速度梯度的关系，从而建立湍动粘度和宙诺应力之间的联系：“函=4*+詈卜”+脸卜2数值计算方法2.1本文选择重整化群(RNG)A-模型封闭方程，该模型在标准入r模型基础上进行粘性修正得到A表示湍动能，表示湍流耗散率，方程组表示为：等+会即Wk崎卜&+(4)等嗡鹏同嗫(巴毒卜与G-Cupd22边界条件设量计算采用速度入口(Vc1ociiy-inE),压力出口(Prcssurc-(Hit1c1),螺旋桨表面采用壁面边界(Wa11),旋转域与非旋转域果用交界而(Interfa8)连接。螺旋桨定常性能计算采用多重旋转坐标系(MRF)模型，非定常性能计算采

9、用滑移网格(MovingMcsh)模型。扩散相采用中心差分格式，对流相采用一阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMP1EC算法。计兑收敛的标准为10个迭代计算的推力及扭矩变化不超过0.3%。23计算域及网格划分本文所取的网柱体计算域直径为50,长度为104其中入口距桨盘中心4。，出口距桨盘中心6Q,。为螺旋桨直径。在螺旋桨周圉区域取一个与桨同轴的内圆柱体作为旋转区域，其直径取为1.2D,域的长度范围为044X).440。采用尺度函数对螺旋桨计算域划分结构网格与非结构网格相结合的多块混合网格，对紧邻螺旋桨的小域划分非结构网格，而对形状比较规则的外部域划分结构网格。螺旋桨桨叶轮扉线的网格尺度为KD,螺

10、旋桨桨叶网格的最大尺度为4KO,面网格尺度增长率为1.2。螺旋桨小域的面网格尺度为8KQ,小域内体网格的增长率不超过1.2,由小域向外蝴射结构网格，网格尺度增长率为12,K为网格尺度控制参数，计算域及混合网格如图1所示。图I计算域及体网格2.4网格收做性选择22届ITTC推进委员会提供的DTMB4I19桨为对象进行网格收敛性研究，基于所确定的网格划分策略,选择不同的K值控制网格数量，得到了网格总数为57万、72万、102万、150万、166万的网格。将不同网格时的仿真结果与试验结果进行对比，结果表明，随着网格数的增加，计算结果与试验结果的误差减小。当网格数大于150万时，推力系数和扭矩系数的误

11、差均低于3%,数值预报可达到较好的精度。3m明匀流场咽俳定常性能3.1计算模型及网格划分选择HSP桨作为非定常计算的对象，22届ITTC推进器技术委员会于1998年组织的面元法和CFD讨论会上选定该桨作为非定常面元法的算例，其具体几何参数见表1，几何模型见图2,网格总数约15()万.表1HSP桨主要几何参数参数数值参数数值直径/m3.60纵倾角可)3.03叶数/个5侧斜角)45.0教径比0.1972航速m9螺距比(0.720.W4转速AminJ90.7图2HSP桨32非均匀伴流场的模拟方法解后螺旋桨的流场有轴向、径向及切向3个分量，目前主要通过模型试验获得,但试验所获得的非均匀伴流场为对应不同

12、半径、不同角坐标的离散数据，无法输入到速度入口进行伴流场模拟，但由于伴流场在其空间角坐标变化天后恢品到原值，因此是周期性函数，可用Fburier级数展开。w1(r.)=w0(.r)+AiU(r)ws(/t0)+(r)sin(t0)叫S0)=。+之AJr)cos(0)+%(小in(M-1wfi(r,)=t)r)+4w,(r)cos()+%(r)sin(”。)其中,WG.6)、HJfo.6)、I以，,仍分别为轴向、径向、切向伴流值；%x(r)%,(，)、WbJr)分别为轴向、径向、切向伴潦的零阶谐调值：A1Xr),A”)、BnM,A/r)、BMr)分别为轴向、径向、切向伴流谐调的第阶余弦和正弦分量

13、幅值。由此可确定轴向、径向各个谐调的余弦与正弦分量限值为：4=Xr,0)cos(M)d0(7)B1t=1Mr,)n(n(f)d汽对伴流进行谐调分析后，取。阶9阶分量进行模拟，采用UDF完成伴流场的输入，伴流场对比见图3,结果表明伴流场模拟结果与模型试验结果吻合较好。图3伴流场比较33螺旋桨旋转横拣为实现非均匀流场中螺旋桨性能的非定常模拟，采用滑移网格技术模拟螺旋桨的旋转运动。该技术认为流场是非定常的，数值模拟完全忠实于流场中旋转物体间十分强烈的相互作用，从而保证r数值模拟的精确度.滑移网格技术的基本原理是将流场网格划分成2个大的部分，即静止部分和滑移部分，2部分网格有自己独立的网格形式和网格边

14、界面，2部分边界面的组合为交界面.睁止部分和滑移部分以交界面实现相互滑移，而不要求交界面两侧的网格节点相互重合，通过计算交界面两侧的通量，使其相等。3.4结果及分析图5给出了单桨叶旋转一冏过程中的受力，并与面元法计算结果进行了对比，二者吻合较好。计算推力系数平均值为0.171,实船试验结果为0.172,计算的扭矩系数平均值为0.280,实船试验结果为0.268,计算结果与试验结果有良好的一致性，本文计郭方法精度较高。计算了不含螺旋桨时桨盘处的流场及不同入口距离时的受力考察流场粘性耗散的影响，结果如图6、图7所示。入口处的流场流至桨盘中心时耗散较小，仅高伴潦峰值略有减小，低伴流区域基本不变，流场

15、特性保持较好。而不同入口长度仿真结果表明，流场耗散仍较小，螺旋桨受力仅在高伴流区差别约2%。图8、图9给出07R剖面在不同位置时的压力系数对比，由对比结果可知，建立的方法能准确的预报桨叶表面的压力分布。其中压力系数定义如下：CP=(P-Pj/覆Vi(8)式中，f为剖面进流速度,%=依+(2WX.1图9桨叶在273位置时0.7R剖面的压力分布比较图10给出了螺旋桨旋转一周过程中桨叶某位置处的压力脉动对比，可以看出虽然伴流场为左右对称形式，但是由丁螺旋桨旋转作用的影响，制面最大吸力峰并不在G位置。且由不同半径剂面的压力分布比较可得，HSP桨在梢部的压力系数高于内半径区域，而仿真得桨的空泡形态如图11所示，也验证了空泡发生在梢部，这主要是由于该桨为商船螺旋桨，追求高效率，梢部载荷较高的缘故4结论本文给出了一种粘性流场中螺旋桨非定常水动力性能预报方法，通过伴流场谐调分析结合UDF的方法可实现非均匀伴流场的准确输入。基于RANS方程和RNG-湍流模型计算了船后HSP螺旋桨的非定常性能，结果表明不论宏观螺旋桨受力还是微观压力系数均与试验结果吻合较好，验证了方法的准确性。