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实尺度导管螺旋桨的敞水性能数值模拟

作者:陈天福,王永生,庞之洋

来源:《机电信息》2015年第27期

陈天福王永生庞之洋

(海军工程大学动力工程学院,湖北武汉430033)

摘要:为了避免尺度效应带来的影响,借助于计算流体力学软件,采用结构化网格和非结

构化网格相结合的计算方法,进行了实尺度导管螺旋桨的敞水性能数值模拟,计算结果能够满

足实尺度导管螺旋桨敞水性能预报的工程精度要求,与试验结果进行对比,最大误差在7%以内。

通过对5组不同交界面的位置进行比较,得出了交界面位置对导管螺旋桨的水动力计算具有较

大影响的结论。

关键词:导管螺旋桨;CFD;敞水性能;实尺度;交界面

0引言

至今,人们己经对螺旋桨做了很多深入的研究,致力于设计出具有更高效率、较小振动及

更为安静的螺旋桨。随着研究的深入,开发出了一些在不同方面具有优势的特种推进器,导管

螺旋桨就是其中一个。目前人们对导管螺旋桨水动力性能的研究方法主要有3种:一种是基于

势流理论的理论研究,一种是试验研究,另一种是随着计算机迅速发展而新兴的计算流体力学

方法[1-2]。

崔立新使用诱导速度来考虑螺旋桨与导管的相互干扰,基于势流理论对Ka4系列导管桨进

行敞水性能计算,分析了进速系数对导管上的压力分布情况及其本身产生的附加推力的影响趋

势[3]。吕晓军对导管螺旋桨的敞水性能进行了数值模拟,得到了在不同网格模型和湍流模型

下导管螺旋桨的正车敞水性能曲线[4]。但他们都是对导管螺旋桨的模型进行建模分析,对实

尺度进行预报时会产生尺度效应,司朝善等人通过对不同尺度模型敞水性能进行计算,研究了

导管螺旋桨敞水特征随雷诺数的变化规律,结果表明尺度效应带来的误差可高达15.8%[5]。

本文直接对导管螺旋桨进行实尺度建模,避免了尺度效应的影响。

文中用商业软件UG对某导管螺旋桨进行实尺度几何建模,然后用ANSYS软件的ICEM模块

进行网格划分,采用结构化网格与非结构化网格相结合的混合网格划分方法,将划分好的网格

导入CFX模块进行计算。

1数值计算过程

1.1物理模型

本研究对象为某导管螺旋桨,其主要参数由表1给出,导管类型为19A,几何模型如图1

(a)所示。对于数值计算而言,光有螺旋桨的三维模型是不够的,还需给出其计算域的几何模

型,根据相关参考文献和经验,导管螺旋桨所在的流域设置为一个圆柱形区域,如图1(b)所

示,其长度为10倍桨叶直径,来流方向长度为4D,尾流方向为6D,直径为5倍桨叶直径,流

域进行分块网格划分。根据对称性和旋转周期性,导管螺旋桨内部流域取为仅包含单个叶片的

流体通道进行建模。

1.2网格及设定情况

由于导管螺旋桨几何模型比较复杂,很难生成高质量的结构化网格,而非结构化网格更容

易实现局部加密,因此对单通道进行非结构化网格划分,而外流域则较为规则,采用占资源少、

精度高、映射效果好的结构化网格[6]。在计算资源足够的情况下,充分考虑流体边界层存在

对计算结果的影响,并且桨叶、导管内壁面和桨毂为实体壁面,故对其设置棱柱层,保证壁面

Y+在200以内,将棱柱层设为8层,第一层厚度为0.05mm,厚度变化率为1.2;考虑到物体对

流动的影响程度,经过反复探索后,最终桨叶最大尺寸设置为8mm,桨毂为12mm,导管内壁

为10mm,并对桨叶边缘进行加密,桨叶随边最大尺寸为0.8mm,叶顶为1.5mm,导边设置线

网格尺寸为1.2mm,以便更好地捕捉流动信息。参数设置完毕后,生成网格如图2所示,单通

道总节点数为125万。而外域为了使网格尽可能模拟出真实流场,在流动剧烈的地方需进行网

格加密,导管壁面第一层网格设置为0.05mm,对于其他位置,靠近桨毂和导管的地方进行适

当加密,如图3所示。

1.3边界条件

计算区域的边界包括入口边界、出口边界、螺旋桨和桨榖及导管表面。具体的边界设置为:

入口边界取为进口速度边界,给定均匀来流的速度值,但在系泊工况时入口设为Open压力边界

条件;出口边界设为压力出口,设置相对的平均静压为0,也是在系泊工况时设为Open压力边

界条件;圆柱面和桨榖设置为自由滑移的壁面,即不受扰动影响;螺旋桨和导管表面设置为无

滑移不可穿透的壁面,并加上粗糙度0.03mm;对于旋转部分的旋转速度设为螺旋桨的转动速

度;单通道相互之间、旋转内域与结构化外域之间用界面进行匹配对接,

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