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，李铁牖，林焰，郭灯，杜祥进(大连理工大学船舶工程学院，大连6O24)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始型值点数据处理程序以便GAMBIT前处理软件进行接口，对标准B44)螺旋桨进行数值整证和分析比较某特种螺旋桨不同叶数参数性能数值计尊结果，进而研究毅福靖参数仞配问题，研究不同靖叫直径和不同宏装角对桨效率变化的也响，分析压力场和尾流场的变化状况，结果表明：大小合适的结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.关调I螺旋桨:较帽鳍；

2、RANS法：参数匹配：节能效率中图分类号，U66L3文献标志码IA(DO1lO.I3788/j.2OI5.Z.TO5NumericalStudyoftheEnergy-SavingPerformanceofparametermatchingofPBCFbasedonRANSmethod批注Iyanel1：补充学院的英文名HUJUnming,LITie-Ii,LINYan,GUODeng,DUXiangJin(IDaJianUniveniityOfldu4o鼠ShiPandEnGneeringColle*Dalian116024,China)Abstract:Nunwriciil(uwJvsis

3、ofenerv-stingmechunismafPmfwlicrAv.vCapFinsand.$“/、ofperfarmtmcePammehtrSmarchingPrt)bkm加theviscousflowfieldawhosed仰】RANSmethod.7力ddatawinisCfPmpeuerBOSSCapFftistvebcalculatedbyFoRTRANPmgrUnl“fJspecificdataJbrmaLwhichH,errusedtoset，伊KeOmdlyinGtlmbiiduringthentdelinphcse.VieB4-40SturukiniPmPeUerisSim

4、llIaIedandthetv*山arCOmpaVedwithtests.ThevsuhsofspecialpropellerwithdifferentbladesavcomparedandtheParWnefermatchingproblemofPBCFmstudied.The(xsptndingChangeSofPmPukianefficiencyarestudiedqtheCondignofVUrioWidumetersandunclesoffins,thepssurvdistributionamiwakesareanalyzed.Theresultsshowthattherightsi

5、diameterandIVaSnnahIeinstallationngeoffinssignificantlyinntitsJfrrfftulsiffnefficietuyUndwithengineeringpwticulity.Keywords:Pnpeller:Pmffellerboascapfins;RANSmethod:Pariuneternuichin:Etiergyefficiency0引近年来.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措的措施，对曲舶行业，船舶能效设计指故(EEDI)的提出I使我国造船业面临严峻挑战，对Ite殖节能效率的研究成为当下重要的研究

6、课题:毅帽鳍作为种节能装置.于1987年由日本三井造皖研制提出，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!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茧要手段,其经济性好、应用施用广，只数值结果能很好的满足工程需求。本义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语言编制螺旋桨毅帽整型值点数据处理程序，数值验证标准B4K0螺旋桨和分析比做不同叶数某特种螺旋桨的敞水性能，进而研究投Ifl绪参数匹配问即，研究其书

7、收稿日期：2014)7-21:修回日期:2015-06-基金项目：渔业行能关键技术研究与更大装番开发()，国家公益性行业科研专项：国家自然科学基金U，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：船帕与螺旋桨水动力性能研究，(2)能效率，为实际工程应用提供技术价值。1fflH8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方程表达式网如卜N皿+皿+四=0xIexidXi加、能?=+l(内再P=_g-+CfGXiUX1(一p,w)+cxi布丁式中：仙、也为速度分量时均值(31,2.3)；7是流体密度:P为铮水压力:为流体粘性系数：:为

8、脉动速度：/是质量力，0前为雷诺应力项。雷诺应力对于求解螺旋架敞水性能至关重要，本文应用RNG&-湍流模型E把时均值和脉动值联系在一起，使RANS方程封闭可解“2MS*ft本文以五叫特种螺旋桨为母型，保持盘面比和桨叶直径不变，蝶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I所示.表1桨和鳍的基本参数基本参数PrDJ(4%Dr)Z2(3O%r)e34(35%Z)直径你12303444O.3&90.40590.4305螺距也0.7/01.450.75880.75880.75880.7588叶散/个55555叶制面形式NACA6

9、6NACA66NACA66NACA66NACA663数值处理方法3嫡虞立根据螺淀桨坐标转换方程，详见参考文献%应用FORTRAN语言编制奖叶、鳍叶和浆毅数据转换程序，实现二维到三维坐标的转换，其型值点数据以特定格式吟心1输出，其文件输出格式如下，204181其格式数据第一行中4表示有4条曲线，20表小每条曲线由20个三维坐标点组成,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18L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、Z的坐标值，基于此数据格式导入GAMBrr建模软件，它会白动遵循数据点搭式，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

10、手直角坐标系，Z轴为旋传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I所示.(a)四叶架(b)六叶浆(c)七叶梁(d)五叶浆与越整体模型Ifil螺旋奖三维模型图32*SR格划分域及网格划分影响数值结果的稳定和精度，本文昼丁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.中间域和后城为静止域，中间小圆柱为旋转域，静止域直径为6D,旋转域H径为2D,前域、中间城和后城的长度分别为2D、30和5D,D为螺旋桨直径.网格划分采用分块化网格，因桨叶和鳍叶三维曲面的豆杂，对它们表面网格进行细化处理，并采用三角形非结构化网

11、格取其网格尺寸为0Q2D,浆毂面网格尺寸为OtMD.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Ojd静止域为结构化体网格。为提高计算牯度，在桨叶和鳍叶表面划分边界层，应用里面函数法，根据y，取值范围(处500),取边界层第I层网格高度为0.0OIm。数值过程旋转域与螺施桨之间相对转速为零并按照MRF横型绕Z轴以定的角速度旋转.域及网格划分图112所示.因是数值过程参数模型的筒化和高速状态卜空泡现象的产生，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有可行性。图2域及网格模型图批注yartg2:图中文字改成中文4数值结果分析4.1 敷位方漱t证为验

12、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450r/min,进速系数03Y).9.由数值结果得到的推力和扭矩通过公式转化为推力系数%、转矩系数Ktf和敞水效率加.其数值如表2所示.可以看出、伽的数值计算结果较试验值略小，%的数值结果反较试验值略大.且防进速系数增大，误差有所增加，其原表2叫40螺旋桨数值计算结果J试般值兄误差试验值叫谩差试验值冰课差03039090.3852-1.45%0.65590.65620.05%0.2S460.28031.52%0.4036510.3591-1.66%0.62300.62580.44%0373103653-

13、2.09%OS0936203292-2.08%058600.5952158%0.45650.4401-3.60%0.603CH302965-156%034430.55612.17%0.53390J09I-4.63%0.7026980.2620-2.90%0.4975OSI142.79%0.60420J708-5.54%0.80233002260-3.01%0.44510.45903.12%0.66640.6137-5.93%0.90.19410.1X76-3.35%03870.*N第3.65%0.7189().6443674%42不同叶gU他8果分析对不同叶数螺旋桨敞水性能效率的数值研究，其H

14、的在J选取敞水性能效率最佳的螺旋桨参数.为毅帽鳍参数匹配研究奠定1础。本文选取梁叶叶数为推力系数K,最小，七叶浆最大:图3(b)中扭矩系数KI,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7X).6时其效率比六叶桨、七叶桨4-7.螺旋桨转速一致为750r/min进速系数().l1.0,依据所得的计兑结果绘制螺旋桨敞水性能曲线图K、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。批注Wang3:图中横纵坐标名的参数用斜体43MMMEgram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毅打婚节能性能.选

15、取叫种不同鳍叶直径,鳍叫安装角分别为35。、W.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750r/min进速系数0.1L0,相比无州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。、455(、55。各个进速系数下其效率增量能达到校满意的结果，且进速系数40.3时，/1、/2和功济其效率增量存在峰值点，J=Q7时四种不同鳍叶直径结果均达到谷值，其整体效率增flAV字形变化趋势，取安装角4045。、55。在各个进速系数f平均效率增量比较，随络叶直径增加其平均效率增fit变大，且当毂帽鳍安装角在

16、50时所表现出的整体节能效果最佳，其平均效率增量范围0,52392%-l.l4966%(a) l=03444m(b) 2=O9由图5中町以看出，鳍叶叶面导边附近压力明显小于 结叶叶背导边附近区域的压力，使脑叶产生与螺旋桨 旋转方向相同的扭矩和轴向阻力(后者为小量)，降低 螺旋桨在运动过程吸收的主机功率.提高螺旋桨推进 效率。图4架瞰(率增图图5 5叶面压力等值线图(a)州叶叶背t)薄叶叫lMftyanr4:图中横纵坐标名的参数用斜体(c) Drn=O.4059m(d) D4=O.43O5n(4.4衰面S布基于螺旋桨作用原理可知桨叶叶面和叶背存在压 力差，叶面压力大于叶背压力，使叶背处在低压区，

17、 形成吸力面，而鳍叶压力面恰好相反，如图5所示。46速度及尾清分析应用速度流场和涡量流场出发研究毅裕靖提高螺 旋桨节能效率的机理.取节能效率较高的毂帽鳍直径 Z)j4=O.43O5m,安装知度5/，进速系数=O.3,其桨 后轴向距离为VK=O.568,分析研究其径向速度、轴向 速度和涡量分布，如图6和7所示。批注Iyane5:图中横纵*标名的参数用斜体(a) H向速度分布国(b)径向速辰分布图 图6无鳍螺旋桨(O涡量分布图(a) H向速度分布图出)径向迅炭分布IS图7有储螺旋桨(O涡量分布IS昼丁动量定理可知螺旋桨所受推力等于流经桨叶流体的动量变化，轴向速度与推力方向相反，大小决定蝶施桨推力的

18、大小.由轴向速度分布图看出，毂帽鳍对流经螺旋桨流体有一定的阻滞作用，有鳍螺旋桨浆毂处轴向速度低速区面积明显大T无纳桨，表面始叶引起流经桨叶流体动量变大,推力和推进效率增加。基丁理论可知径向速度产生毅涡与桁涡.由径向速度分布图看出正值速度消失很快，负值速度区域面积占据大部分空间，有结相对与无Ifi情形，其负值高速区域面积变小，低速区域面积变大，有利减小毂涡的形成.提高推进性能.基于涡量分布图更能直观的体现毂帽鳍对流经螺旋桨的尾流右减速作用，减少毅涡的产生，实现其节能效用。5结论I)数值建模过程应用WRTRAN语言成功编制螺旋桨毂帽鳍里值点数据处理格式，实现与建模软件GAMBrr的数据对接.提高建

19、模效率。2)数值验证标准B440螺旋桨计算结果，表明基于此方法数值研究螺旋桨敞水性能的可行性.3)对不同叶数蝶旋桨敞水性能效率的数值研究,表明在盘面比和桨叶直径不变情况下，基J:不I司半径处桨叶叶切面弦长来确定螺旋桨H数参数模型中其五叶浆敞水性能效率最好。4）数值研究五叫浆毅帽鳍参数匹配问题，分析比较叫种不同结叶直径在不同安装角下其敞水效率，表明安装角4045。、5（r、55其各个进速系数F效率增fit均达到较满意的结果，且平均效率增量54W.4305m最大，安装角在50。时其整体节能效果最佳.5）数值研究毂帽络作用机理，分析压力场、速度场和涡量分布，结叶在压力基作用下产生旋转方向与桨叫相同的

20、扭矩,且对流经螺旋桨的尾流有减速作用，减少毅涡的产生，提高节能效率.*tlttm胡琼.陈凯，孙权.新船能效设计指数及应对策略分析J.中国造船20II（SD:27-322 OuchiK.OguraM.KonoYr/.ARegrehandDevelupnieniofPBCF(Ptupe)IerBossC,男，博士研究生:研究方向：船舶与螺旋桨水动力性能研究。地址：工程学院睨池304室虾编：116024电话：李铁骊女，1963年出生, 林焰男卜1963年出生, 郭灯男，1988年出生, 杜样进男，1988年出生,副教授，博士生导师。主要从事船舶与螺旋桨水动力性能研究。教授.博士生导师.主要从事船舶CAD技术及协同设计机理方面的研究工作.硕士研究生.研究方向船独与螺旋桨水动力性能研咒。硕士研究生.研究方向船独与螺旋桨水动力性能研究.