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(中国靓船研究设计中心.武汉4.W064)*要，药于RANS方程和RNGH:湍流.模型，采用结构。非结构多块混合网格研究了船后非均匀近场中螺旋桨的非定常水动力性能。计算了DTMB4119螺旋桨的敞水性能，考察了网格依Il性，采用傅立叶变换进行了蝶缺桨伴流场的谐调分析，并结合UDF功能实现了模型试验伴流场的输入.采用滑移网格技术模拟了啡均匀流场中HSP螺旋桨的非定常特性。计算结果与试验结果的比较表明，定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.能终满足工程应用要求。关01：蝶旋桨：非均匀流场：非定常性能：RANS中图分

2、类号：U66143文餐标志-ADOIStudyonPropellerUnsteadyPerformanceinViscousNon-uniformWakeXIEXue-shen,JIANGZhifangtQIULiaoyuan(ChmaShipDcvdopmcntandDCSignCenter.Wuhan43(X)64.China)Abstract:ViePmpeHerunsteadyperformanceinwn-unifi)nn4履HtupredictedbyusingrheRANSandRNGAturbulencemodelbasedonmulti-bkkhybridtrwshes.TT

3、WopenwaterpemwnceofDTMB4119PmPeHerufCaleUlaledandthegriddependencehuvinvestigated.Tlieikvi-ttnifitnnWaMKWimwrfedbyUDFfimcfioiicombinedwithharmonicanalysisofshipwakefieldbasedonFouriertransformmethod.Themovingme疝ngtnodelhutused加sinulatetheunsteadycharacteristicsofpropellerHSP.Tliecomparisonsierweenca

4、lculationresultsamiexjerimentresultsindicateuithenumericalme!udpresentedinthispaperfutsoodaccuracyinthepredictionofpropellerunsteadyJbrueandPnfSS“zrcoefficientbehindship,andemethodcansatisfyheucimlneeds(ifengineeringappiiraion.Keywords:PmpeHer;mw-unifinn：unsteadyperformance：RANSW引盲随着船舶航速及棒水量的不断提高，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UL运转于非均匀流场中的螺旋架易产生空泡，非定常空泡的产生将宜接导致船尾振动加剧和蝶旋桨噪声升高.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、源廷寿、熊鹿等采用面元法对螺旋桨非定常性能进行预报EL但势流理论对流体粘性的考虑不充分，随若计算机能力的提高，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:MikkeIsen等人向用RANS方程研究船后

6、螺旋桨性能时，在桨前方用一个鼓动盘来产生所需的非均匀貂体伴流，计算结果显示这种方法可以用于研究工作于船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侧斜螺旋桨住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媒旋桨斜流条件下的非定常特性，精度较势流有所提高。沈海龙闾采用船桨整体建模及UDF方法实现了螺旋桨IE定常水动力性能的计算.并与面元法进行了比较.但缺乏定收数据。胡小菲等人M用给定的非均匀流场作为输入实现了螺旋架非定常力的模拟，探讨了网格的依赖性，计算结果精度良好，但所用伴流仅为非均匀轴向流场。本文通过伴流场的谐调分析结合用户自定义函数(UD

7、F)功能实现了非均匀流场的输入，采用滑移网格技术模拟蝶旋桨的旋传.实现了船后粘性流场蝶旋桨非定常性能的数值仿克.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。I理论却K在建立的计算域内，不可压缩的牛顿流体运动满足质国守恒方程和动量守恒方程，即RANS方程组：今倚(I*+白叫心*+%+萼专鼾1+白一丽IRANS方程中引入了关于湍流脉动值的雷诺应力项-O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。本文应用由Boussincsq提出的涡粘模里确定宙诺应力和速度梯度的关系，从而建立湍动

8、粘度和田诺应力之间的联系：2数值计K方法Xl三三!本文选择垂整化RNG)k-f:模型封闭方程，该模里在标准Af模里基础上进行粘性修正得到.人表小湍动能,表示湍流耗散率，方程组表示为：12边界条件设计算采用速度入口(VdodyiiiIct),压力出口(PrcyinjxrtM),螺旋桨表面采用壁面边界(WaII)，旋转域与非旋转域采用交界面(Interface)连接。螺旋桨定常性能计算采用多市旋转坐标系(MRF)模型，非定常性能计算采用滑移网格(MUVingMesh)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S1MPLEC算法。计算收敛的标准为10个迭代计算的推力及扭矩

9、变化不超过03%523计算域JUel格划分本文所取的闽柱体计算域直径为50,长度为100，其中入口始菜盘中心40,出口即菜盘中心60,0为螺旋桨直径。在螺旋梁周围区域取一个与架同轴的内圆柱体作为旋转区域，其宜径取为I.2D,域的长度范围为-0.44Z0.44Du采用尺度函数对螺旋桨汁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桃，而对形状比较规则的外部域划分结构网格:螺旋桨桨叶轮廓线的网格尺度为KD,螺旋桨桨叶网格的最大尺度为4KQ,而网格尺度增长率为IZ螺旋桨小域的面网格尺度为8KD,小域内体网格的增长率不超过12由小域向外嘲射结构网格.网格尺度增长率为1

10、2.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24PMitfttt选择22届11TC推进委历会提供的DTMB4119奖为对象进行网格收敛性研究，插于所确定的网l划分董略,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，随若网格数的增加，计算结果与试验结果的误差减小。当网l数大于150万时，推力系数和扭矩系数的误差均低于3%,数值预报可达到较好的精度。3三陷勿流场MtttX非定常性能3J计尊横型及网格划分选择HSP桨作为非定常计算的对象，22届ITrC推进器技术委员会于1

11、998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L几何模型见图2,网格总数约IX)万.表IHSP桨主要几何季数数值参数数值3.60纵倾角We)-3.CB叶数7个5侧斜角45j0较径比0.1972航速ng螺距比(0.7/?)0.944转速min90.7图2HSP桨32善均匀伴流场的横报方法舔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小标变化天后恢品到原值，因此是周期性函数.可用R)Urier级数展开.%(r,6)=

12、%/r)+Af(r)s(n)叫)sin(n6)Hr(r)=(r)+4,(r)cos()+(r)sin(n6)(6)%(r,)=(r)+ihr)cos()，(r)sin(n)其中，w.S)、1以匚6)、w(r.四分别为轴向、径向、切向伴流值：%/r)、%/r)、%Jr)分别为轴向、径向，切向伴流的零阶谐调值：Au9、%/r)、Ar).BM力、Af)%(力分别为轴向、径向、切向伴流谐调的第阶余弦和正弦分量幅值.由此可确定轴向.径向谷个谐调的余弦与正弦分量幅值为：4二一广Mr.)coS(MR/M，,)sin(n()d()对伴流进行谐调分析后，取0阶、9阶分是进行模拟，采用UDF完成伴流场的输入，伴流

13、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.(a)模型试险伴流(b)候机伴流图3伴这场比较一.一带格式的：字体攸斜J - 一F格式的:与体：攸斜ffl5主桨叶推力及扭矩变化单文叶推力及扭矩变化用格式的：非突出显示)33U11m横报为实现非均匀流场中螺旋桨性能的非定常模拟，采用滑和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施转物体间十分强烈的相互作用.从而保证J数位模拟的精确度.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

14、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结果及分析首先进行HSP桨的定常性能计算，计算收敛后开始进行非定常性能计算，非定常计算的螺旋桨模中转速为2如加，U斤力长为IS,单火叶斐受力的收敛过程如图4所示、图5给出了单桨叶旋转一周过程中的受力，并与面元法计兜结果进行了对比，：者吻合较好。计鸵推力系数平均值为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6268.计算结果与试S结果有良好的一致性，本文计算方法精度较高。计算了不含螺旋桨时桨盘处的流场及不同入口即高时的受力考察流场粘性耗取的影响，结果如图

15、6、图7所示.入l处的流场流至桨盘中心时耗散较小，仅高伴流峰值略有减小，低伴流区域系本不变，流场特性保持较好。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6桨盘面处的流场图8、图9给出r0.77?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NCLIP-H三解18图9桨叶在27(T位置时0.7R剖面的压力分布比较图IO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，剖面最大吸力峰并不在(F位置.且由不同半径剖面的压力分布比较可得

16、，HSP桨在梢部的压力系数高于内半径区域，而仿直得桨的空泡形态如图U所示，也验证了空泡发生在梢部，这主要是由丁该桨为商船螺旋桨.追求高效率，梢部载荷较高的缘故.图IO0.9半径025弦向位置处的压力脉动图螺旋桨空泡4雌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传流场的准确愉入。基于RANS方程和RNGkF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，验证了方法的准确件。#：(II董世汤.王国强唐登海，等.司舶推进器水动力学ML北京：国防工业出版社、2000.(2 Hoshi

17、no,T.HydrodynamicAnalysisofPropellersinUnsteadyFbwUsingaSurfacePanelMetidJ.JtwmulrtheSucicryofNavalAivluiecfxafJapan.1993.174:71-87.(3 SuYM.HuangS.IkehauiM.KaiH.NutiiericalCaICUiaIiunofMarinePnjpellerHydnMiynainicCharaCteTiSl4tnUnsteadyFlowbBoundaryElementMeth(xi(J.中国i船,2001.42：12-22.4谭廷寿.贺伟.螺旋桨非定常轴

18、承力计算IJL船碑工程.2006,171(2):4245|5熊鹰.非均匀流中螺旋奖空泡及触动压力的教佰和试验研究ID.武汉：武汉理工大学.NM2(6 MikkelesnR.AnIkrSenP.SorcnsenJN.ModelingoBehindCufKlitiunWakeHowinRANSCoriipulalionUnaConventionalandHighSkewPmpcllcrlCl,PccdingsnfKNhNumericalTowingTankSymposium,Hamburg,Crmany,SeptemberKK)7.张工W.7自色赵稣.螺旋桨席体，轴j|船亡学JmXfl。IM沈海比苏玉民.基于浒移网格技术的船桨相互干扰研力J.哈尔滨工程大学学报,2010,31:l-7.9J拥小菲.黄振宇.洪方文.螺旋桨非定常力的冷性故值分析(J).水动力学研究与进展.2009.2446):734739.作者简介，解学参w-),男.博士.工程加.从事船舶总体设计、船舶推进与下能技术研究。地址；中国舰船研究设计中心；非编：430064电话：E-mail；