CFD技术在螺旋桨粘性流场计算中的可靠性预报分析

    姜东栓

    摘 要：以 MAU 型桨作为研究对象，通过数值模拟方法，以质量守恒定理及动量守恒定理为基础，建立不可压缩流体的控制方程，计算螺旋桨在敞水中的受力情况。本文数值计算采用湍流模型和 SIMPLE算法，分析推进器在不同进速系数下，推力、扭矩与表面压力变化分布特点。运用计算软件FLUENT，对螺旋桨的尾流场进行模拟计算，展示其敞水性能的数值计算结果并与水池敞水试验值对比，对常规螺旋桨在粘性流场中受力直观体现，并校验了CFD技术在粘性流场计算中的可靠性。

    关键词：粘性流场；螺旋桨；FLUENT；可靠性

    中图分类号：U664.3 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2017）07-0043-02

    因螺旋桨复杂的几何形式及流场的多变性，导致流体分离、漩涡等多种不可预测现象的发生，面对复杂的流动结构，通过求解描述流动过程的微分方程式进行解析将是一项极为困难的工程。大多数流场研究中，对于螺旋桨流场理论研究工作，基本采用势流方法；随着粘流理论及流体仿真技术的进步，运用商用流体模拟软件对粘性流场进行模拟。螺旋桨粘流问题可作为一种不可压情况，其计算难点即压力场的确定。通常流体解析方程多为非线性，自变量较多，计算域几何形状任意，边界条件情况复杂，对这些无法直接求得解析解的问题方程，用数值方式则能化解此类问题。

    1 控制方程

    假定流体不可压，来流为以定常速度作匀速直线运动，螺旋桨保持相对旋转速度为0，在螺旋桨周向的转动区域保持一定转速，建立流场控制方程如下：

    2 几何模型建立

    将螺旋桨参数采用坐标转换成txt格式数据，导入Fluent 软件配套的前处理器 Gambit软件 ，建立三维几何建模。运用样条曲线方法在 Gambit 中连接各个截面上的型值点，从而建立螺旋桨三维的表面外形。建立的螺旋桨的三维模型如图1所示。

    计算域的外边界面在桨体外流面无穷远处，内边界取在桨叶和桨毂外的外表面上，桨毂中心可以简化为圆柱体，图 2 为螺旋桨计算域体网格。为了提高计算结果精度，整个大域划分成几个小域，便于在划分网格时，对局部网格进行加密。

    3 结果分析

    为检验FLUENT软件在分析螺旋桨的粘性水动力性能结果的可靠性，将数值计算所得的螺旋桨的敞水性能与模型在水池敞水试验的结果比较。進速系数、推力系数和扭矩系数分别定义如下：

    螺旋桨推力系数：

    扭矩系数：

    在给定进速系数J=0.102 、J=0.204、 J=0.306 、J= 0.408、J= 0.510、J= 0.612、J= 0.658下，对52000DWT油轮螺旋桨进行数值计算， 对比结果如图3所示，螺旋桨水池敞水试验数据与仿真软件计算结果非常接近，KT和KQ的最大误差分别不超过 8%和7.5%。可见螺旋桨进速系数越大，计算值与试验值偏差也越大。

    在桨盘面以内部分，流体的流动形态较为复杂；在桨盘面以外部分，流体的流动较为规律，速度等值线近乎圆形；这说明螺旋桨转动所影响流体区域主要在桨盘面以内部分。图4给出在设计工况下（J=0.658）桨叶处的流动情况示意图，较为直观的看到流动从梢部泄露后的流动规律及叶根处的流动。

    图5给出在设计工况下（J=0.658），桨叶背上压力系数分布图。从分布图可看到，分布于叶背中部的受力比较均匀；叶背梢部附近压力最低，也是最容易产生空泡现象。

    图6给出设计工况下（J=0.658），在不同径向位置上叶表面压力系数。从图中可以看出叶面上流动信息预报精度略好；叶根处桨叶叶背的数值预结果不太理想，其原因可能为叶背附近出现的流体分散情况，方程无法捕捉并进行准确预报；其次，网格疏密对计算精度也是影响数值精度的因素之一。图7给出r/R为0.9时（靠近叶梢）的计算结果。根据计算结果可以预测到，桨叶导边的驻点位置；在叶梢部位，叶面压力明显高于叶背，表明叶梢受压较大。

    4 结束语

    通过FLUENT软件考察，在不同进速系数下的扭矩系数KQ和推力系数KT与水池试验结果相比较误差不会超过8%，预报螺旋桨的性能较为可靠，说明其具有一定实际应用价值。同时简要分析螺旋桨周围流场，以进度系数J=0.568为例给出了详尽的微观流动信息，揭示空泡最可能在螺旋桨上所发生的区域，还可以清楚的看到叶梢区域附近流线的变化情况，为今后螺旋桨选型、优化提供了重要的依据。

    参考文献：

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