螺旋槳與船之間的相互影響分析

螺旋槳與船之間的相互影響分析

1船尾螺桿相互作用如果船舶在水面上行駛，應(yīng)提供一定的浮力，以克服船體的阻力。螺旋槳是目前使用最廣泛的船舶推進(jìn)器。螺旋槳粘性流場(chǎng)和水動(dòng)力性能以及它與船體的相互作用一直是船舶研究和設(shè)計(jì)人員非常關(guān)心的問(wèn)題。數(shù)值方法是研究螺旋槳水動(dòng)力性能不可或缺的工具，在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間中，它一直是基于不考慮粘性作用的勢(shì)流理論方法。隨著粘流中解RANS方程的計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，船舶推進(jìn)器的CFD方法近二十年來(lái)也有了很大的進(jìn)步，從早期的三維邊界層方法到上一世紀(jì)80年代求解簡(jiǎn)化的螺旋槳模型的RANS方法，至上世紀(jì)90年代人們已可以對(duì)均勻來(lái)流中的螺旋槳的真實(shí)幾何形狀進(jìn)行CFD計(jì)算。螺旋槳一般安裝在船舶的尾部，螺旋槳和船體的相互作用是至關(guān)重要的。這種相互作用主要包括以下兩個(gè)方面：螺旋槳為了產(chǎn)生推力，必須使船尾部分流體加速，船尾流體的這種加速導(dǎo)致了尾部壓力分布的改變，從而影響船體阻力和船舶尾部邊界層厚度以及邊界層內(nèi)速度分布；螺旋槳作用于船體引起邊界層變化，反過(guò)來(lái)也影響了螺旋槳的進(jìn)流條件，使螺旋槳水動(dòng)力性能發(fā)生改變，同時(shí)可能產(chǎn)生空泡、噪聲、激振等物理現(xiàn)象。由于有上述螺旋槳和船體的相互作用，帶螺旋槳的船舶尾部流動(dòng)非常復(fù)雜。目前主要有兩種途徑來(lái)研究這種相互作用：模型試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算。過(guò)去模型試驗(yàn)研究主要是進(jìn)行船模的自航試驗(yàn)以及標(biāo)稱伴流場(chǎng)的測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果能給出相互影響的一些平均量，如衡量槳盤面處速度和船模速度差別大小的伴流分?jǐn)?shù)、螺旋槳引起的船體阻力變化的推力減額等等。當(dāng)前，試驗(yàn)測(cè)試技術(shù)的突飛猛進(jìn)，也為螺旋槳與船體相互影響的研究提供了先進(jìn)的測(cè)試手段。LDV、PIV技術(shù)的發(fā)展，可以對(duì)流動(dòng)進(jìn)行非接觸測(cè)量，借助于這些試驗(yàn)技術(shù)，對(duì)螺旋槳和船體相互作用機(jī)理的了解大大地得到了改進(jìn)，這些知識(shí)有助于改進(jìn)船型和推進(jìn)器的設(shè)計(jì)。用數(shù)值方法研究螺旋槳與船體相互影響也是一種主要的研究手段，數(shù)值方法不但節(jié)約成本，而且它除了可以預(yù)報(bào)平均量以外，還可以預(yù)報(bào)船尾區(qū)域的精細(xì)流動(dòng)結(jié)構(gòu)，使我們對(duì)船尾螺旋槳和船體相互作用的復(fù)雜流場(chǎng)有較全面的了解。用數(shù)值方法研究船體和螺旋槳的相互影響，早在上世紀(jì)70年代就引起了大家的重視，但是對(duì)于三維水面船與螺旋槳的相互作用的研究進(jìn)展不大，研究工作也不夠廣泛，主要原因是對(duì)不帶螺旋槳時(shí)船舶尾部流場(chǎng)的數(shù)值預(yù)報(bào)尚未達(dá)到定量滿意的精度。早期螺旋槳/船體數(shù)值研究是針對(duì)水下軸對(duì)稱航行體，使用勢(shì)流理論方法加邊界層計(jì)算，這種方法不能精確地模擬船體和螺旋槳的相互影響。隨著數(shù)值計(jì)算方法的不斷發(fā)展，船尾流動(dòng)的模擬從邊界層計(jì)算慢慢過(guò)渡到RANS方程的求解，船舶尾部流動(dòng)的預(yù)報(bào)精度得到了很大的提高，為研究螺旋槳與船體相互作用提供了有利的條件。但是，由于船體和螺旋槳幾何形狀復(fù)雜，流動(dòng)變化劇烈，采用整體計(jì)算存在很大的難度，因此，在很長(zhǎng)的一段時(shí)間中，甚至目前，仍使用力場(chǎng)模擬方法來(lái)代替真實(shí)的螺旋槳，這是計(jì)算船體和螺旋槳的相互影響普遍采用的方法。使用這種方法已解決了一些實(shí)際問(wèn)題，為螺旋槳的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)提供了指導(dǎo)。但是這種方法由于只考慮了螺旋槳力的影響而沒(méi)有考慮它的幾何形狀，而且力的分布也只能依靠經(jīng)驗(yàn)，所以它還只是一種比較粗糙的近似，而采用螺旋槳/船體整體計(jì)算是船舶CFD研究者非?？释軌?qū)崿F(xiàn)的一種研究螺旋槳與船體相互影響的方法。目前計(jì)算機(jī)硬件和軟件的迅猛發(fā)展以及計(jì)算流體力學(xué)中數(shù)值算法精度的提高，為我們提供了一個(gè)可能。本文對(duì)螺旋槳/船體流場(chǎng)的整體計(jì)算進(jìn)行了初步的研究，采用周向平均的混合面方法，實(shí)現(xiàn)了螺旋槳/船體粘性流場(chǎng)的整體數(shù)值模擬，為研究螺旋槳和船體相互影響提供了精確實(shí)用的研究手段，同時(shí)也為下一步進(jìn)行更加復(fù)雜的相互影響的非定常計(jì)算奠定基礎(chǔ)。2船舶流場(chǎng)的混合面求解螺旋槳/船體相互影響的數(shù)值方法主要有力場(chǎng)模擬方法以及螺旋槳/船體流場(chǎng)整體計(jì)算方法。力場(chǎng)模擬是通過(guò)體積力耦合船舶流場(chǎng)計(jì)算程序和螺旋槳性能預(yù)報(bào)程序，從而研究船體和螺旋槳相互作用的一種方法。其主要步驟為：首先使用螺旋槳性能預(yù)報(bào)程序，通常是勢(shì)流方法如升力面方法和面元法，得到載荷分布，代入流場(chǎng)控制方程作為源項(xiàng)，進(jìn)行船舶流場(chǎng)計(jì)算，這是考慮螺旋槳對(duì)流場(chǎng)的影響。反過(guò)來(lái)，流場(chǎng)又會(huì)影響螺旋槳的性能，因此還要使用上述計(jì)算得到的船舶尾部流場(chǎng)考慮螺旋槳誘導(dǎo)速度后，計(jì)算螺旋槳實(shí)效進(jìn)流，重新計(jì)算螺旋槳所受的載荷，這樣反復(fù)疊代，直到收斂。另一種更直接的方法是把螺旋槳包括進(jìn)RANS方程的數(shù)值求解中，即網(wǎng)格生成時(shí)考慮真實(shí)的螺旋槳幾何，并在螺旋槳的物面上嚴(yán)格滿足粘性無(wú)滑移條件。直接求解方法由于其復(fù)雜性，在過(guò)去很少有人能這么做。整體流場(chǎng)求解方法又有采用周向平均處理的混合面方法和完全非定常的滑移網(wǎng)格處理方法。本文采用混合面方法來(lái)進(jìn)行螺旋槳/船體流場(chǎng)的整體計(jì)算。混合面方法的基本思想是將流場(chǎng)分成不同旋轉(zhuǎn)速度的幾個(gè)分區(qū)，每個(gè)分區(qū)作為定常狀態(tài)問(wèn)題求解，以一定的時(shí)間間隔，在不同分區(qū)的交界面上下游兩側(cè)，對(duì)流場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行周向平均，并使用這些周向平均值定義流動(dòng)參數(shù)的分布規(guī)律，然后利用這些分布規(guī)律更新混合面兩側(cè)區(qū)域的邊界條件，再進(jìn)行下一步的分區(qū)流場(chǎng)計(jì)算?；旌厦娣椒ǖ幕舅惴梢詺w納為以下幾個(gè)步驟：(1）在各個(gè)分區(qū)進(jìn)行流場(chǎng)計(jì)算。(2）在交界面上下游兩側(cè)，對(duì)流動(dòng)參數(shù)周向平均，分別生成流場(chǎng)參數(shù)的分布規(guī)律函數(shù)。(3）將上一步得到的流場(chǎng)參數(shù)分布規(guī)律傳給對(duì)應(yīng)的混合面兩側(cè)分區(qū)作為邊界條件。(4）重復(fù)上述1～3步，直至收斂。3網(wǎng)格面為復(fù)合網(wǎng)格，其網(wǎng)格的正交性和了理對(duì)于螺旋槳而言，由于其幾何形狀復(fù)雜，網(wǎng)格的構(gòu)成需要特殊的注意，網(wǎng)格的質(zhì)量對(duì)保證數(shù)值格式的收斂性是十分重要的，網(wǎng)格質(zhì)量控制包括以下幾個(gè)方面：網(wǎng)格的光滑性，即在計(jì)算區(qū)域網(wǎng)格大小變化平滑。網(wǎng)格的正交性，即網(wǎng)格線之間的夾角不宜太小。網(wǎng)格的密集，在計(jì)算高雷諾數(shù)流動(dòng)時(shí)，在物面附近由于存在邊界層，速度在很小的距離內(nèi)變化劇烈，因此需要在那里密集網(wǎng)格，以提高模擬精度。由于螺旋槳剖面從中部開(kāi)始到葉梢是不斷收縮的，而且在葉梢處，槳葉剖面的弦長(zhǎng)很小，而厚度幾乎為零。螺旋槳幾何的上述特點(diǎn)為生成高質(zhì)量的網(wǎng)格增添了難度。本文利用中國(guó)船舶科學(xué)研究中心研發(fā)的螺旋槳網(wǎng)格生成軟件，結(jié)合商用軟件GAMBIT，生成了高質(zhì)量的計(jì)算網(wǎng)格，用于螺旋槳水動(dòng)力性能計(jì)算以及隨后的螺旋槳/船體粘性流場(chǎng)整體計(jì)算。4主要參數(shù)設(shè)計(jì)本文選用的計(jì)算對(duì)象是KRISO的3600TEU集裝箱船KCS，船模外形見(jiàn)圖1，模型尺度的主要參數(shù)如表1，螺旋槳模型為KP505，主要參數(shù)見(jiàn)表2。螺旋槳在船模上的安裝位置在x/L=0.4825處，即在尾垂線上游0.0175L(127.3mm）處，其中x為軸向坐標(biāo)，L為船模長(zhǎng)度。上述計(jì)算模型是哥德堡2000計(jì)算船舶流體力學(xué)研討會(huì)的比較對(duì)象，當(dāng)時(shí)有三家進(jìn)行了船體/螺旋槳相互影響的計(jì)算，其中一家考慮真實(shí)螺旋槳進(jìn)行流場(chǎng)整體計(jì)算，其余兩家采用力場(chǎng)模擬方法。5計(jì)算結(jié)果表明的分析與比較5.1旋轉(zhuǎn)周期邊界條件在進(jìn)行螺旋槳/船體流場(chǎng)整體計(jì)算前，首先進(jìn)行了螺旋槳敞水水動(dòng)力性能計(jì)算。計(jì)算域的進(jìn)口在槳的上游3倍直徑處，出口在槳下游3.5倍直徑處，外邊界在離槳轂軸線2.5倍直徑處。由于在均勻來(lái)流條件中，螺旋槳流場(chǎng)是周期性的，因此計(jì)算區(qū)域只取一個(gè)流道。對(duì)于5葉槳KP505，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件之間的夾角為72°。采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，一個(gè)流道的網(wǎng)格數(shù)為471384。邊界條件的設(shè)定如下：在進(jìn)口邊界處給定均勻來(lái)流的各速度分量大小，出口邊界給定靜壓等于常數(shù)，在外邊界同樣給定速度分量大小，周期性邊界上應(yīng)用旋轉(zhuǎn)周期性邊界條件。計(jì)算中螺旋槳的運(yùn)轉(zhuǎn)條件設(shè)為：轉(zhuǎn)速n為50rps(轉(zhuǎn)速雷諾數(shù)Re=3.125×106)，進(jìn)速系數(shù)J=VA/(nD)的范圍為0.1～0.9，進(jìn)速系數(shù)J的變化由進(jìn)速VA增大或減小來(lái)實(shí)現(xiàn)，而轉(zhuǎn)速n保持不變。圖2是計(jì)算得到的KT、KQ和試驗(yàn)結(jié)果的比較，從圖中可以看到結(jié)果符合得很好。表3也列出了計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的定量比較結(jié)果，推力及扭矩系數(shù)和試驗(yàn)結(jié)果的誤差在絕大多數(shù)進(jìn)速系數(shù)下小于5%，這基本已經(jīng)達(dá)到了螺旋槳設(shè)計(jì)要求的精度。上述試驗(yàn)結(jié)果來(lái)源于日本船舶研究所為哥德堡2000會(huì)議提供CFD驗(yàn)證數(shù)據(jù)而進(jìn)行的試驗(yàn)測(cè)量。5.2網(wǎng)格網(wǎng)格劃分及結(jié)果分析在均勻流中對(duì)螺旋槳敞水性能獲得成功計(jì)算的基礎(chǔ)上，采用混合面模型進(jìn)行了螺旋槳/船體流場(chǎng)的整體計(jì)算。計(jì)算條件是船模速度為2.196m/s，槳模轉(zhuǎn)速9.5rps。在上述條件下，文獻(xiàn)提供了速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)的測(cè)量數(shù)據(jù)，速度場(chǎng)測(cè)量采用8孔皮托管，測(cè)量位置在槳盤面下游0.25D處，即x/L=0.4911處。壓力測(cè)量用了144個(gè)壓力傳感器，測(cè)壓時(shí)船模的速度和螺旋槳的轉(zhuǎn)速和速度場(chǎng)測(cè)量時(shí)是完全一樣的。豐富的測(cè)量數(shù)據(jù)給我們驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算結(jié)果的可靠性以及評(píng)估計(jì)算結(jié)果的精度提供了有利條件。計(jì)算區(qū)域的進(jìn)口邊界選在船艏上游一個(gè)船長(zhǎng)位置處，出口邊界選在船尾下游一個(gè)船長(zhǎng)處，外邊界離船模的中軸線一個(gè)船長(zhǎng)距離。由于包括了螺旋槳計(jì)算，流場(chǎng)左右已不再是對(duì)稱的，因此計(jì)算區(qū)域包括整個(gè)船體。因?yàn)橛?jì)算中應(yīng)用混合面模型，周向是平均的，螺旋槳計(jì)算區(qū)域只考慮了一個(gè)流道。船體網(wǎng)格采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的混合網(wǎng)格，由于包括了螺旋槳，計(jì)算域的幾何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，因此在船體區(qū)域全部使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格難度較大。在大部分區(qū)域使用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，這樣可以使用較少的網(wǎng)格數(shù)，而在螺旋槳計(jì)算區(qū)域附近使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，這樣大大降低了網(wǎng)格生成的難度。螺旋槳區(qū)域的網(wǎng)格則采用完全非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。船體區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格413808、非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格105774，螺旋槳計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)為432653?？偩W(wǎng)格數(shù)為952235。邊界條件設(shè)置：在入口邊界，根據(jù)船模航行速度，指定入口速度。在出口處給定靜壓條件。在外邊界同樣使用進(jìn)口速度條件。另外，還要設(shè)定螺旋槳區(qū)域的旋轉(zhuǎn)速度，指定旋轉(zhuǎn)軸。在螺旋槳區(qū)域和船體區(qū)域的交界面兩側(cè)，還要分別設(shè)定壓力進(jìn)口和壓力出口條件。為了研究船體和螺旋槳的相互影響，本文同時(shí)進(jìn)行了帶與不帶螺旋槳兩種情況下KCS船模粘性流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算，兩種計(jì)算在船體計(jì)算域上網(wǎng)格劃分完全相同，湍流模式均采用SSTk-ω，來(lái)流條件均為2.196m/s，其他計(jì)算參數(shù)如松弛因子、離散格式等設(shè)置也完全相同。表4為計(jì)算得到的帶與不帶螺旋槳情況下船體的阻力系數(shù)，計(jì)算結(jié)果表明，螺旋槳的抽吸作用相當(dāng)明顯，帶槳時(shí)船體的總阻力增大為12.68%，而阻力的增加大部分來(lái)自壓力的變化，壓差阻力相差達(dá)100.4%，摩擦阻力基本保持不變。計(jì)算得到的摩擦阻力系數(shù)和1957ITTC公式預(yù)報(bào)值非常接近。由于計(jì)算中沒(méi)有考慮自由面的效應(yīng)，因此計(jì)算總阻力和試驗(yàn)總阻力不能直接比較。帶槳情況下，對(duì)推力系數(shù)和扭矩系數(shù)的預(yù)報(bào)值和試驗(yàn)值也進(jìn)行了比較，如表5，計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)值符合很好，達(dá)到了較理想的精度。計(jì)算結(jié)果的誤差可能來(lái)源于為了減少計(jì)算量而在槳葉附近網(wǎng)格分辨率不足，以及采用混合面模型的周向平均而引起的。圖3和圖4分別是不帶螺旋槳情況下，槳盤面下游0.25D處速度分布的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，D為螺旋槳直徑。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，不論是軸向速度分布還是橫向流動(dòng)特征，數(shù)值結(jié)果都和試驗(yàn)結(jié)果符合得較好。同時(shí)，也應(yīng)該指出，數(shù)值計(jì)算中自由面的影響未予考慮，但由此而引起的對(duì)槳盤面流場(chǎng)模擬的影響不是很大。圖5是船體/螺旋槳整體計(jì)算得到的槳盤面下游0.25D處流場(chǎng)分布。圖6為同一位置上的流場(chǎng)測(cè)量結(jié)果。對(duì)比兩圖可以看到，數(shù)值模擬總體上很好地反應(yīng)了實(shí)際流動(dòng)情況，如軸向速度分布，橫向平面內(nèi)流場(chǎng)速度方向等。上述模擬結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，說(shuō)明了使用本文方法進(jìn)行螺旋槳/船體的整體計(jì)算是有效的。由于使用混合面模型來(lái)模擬旋轉(zhuǎn)計(jì)算域和靜止計(jì)算域流動(dòng)的相互影響，在兩個(gè)計(jì)算域的界面上流場(chǎng)的參數(shù)是周向平均后傳遞的，因此是一種近似方法。從兩速度分布圖可以看出，在數(shù)值模擬解中軸向速度是周向均勻的，與試驗(yàn)結(jié)果略有不同。橫向速度同樣有這種情況。圖7和圖8是槳盤面前0.25D處，軸向速度等值云圖以及橫向速度矢量圖，圖7為不帶螺旋槳情況下的計(jì)算結(jié)果，圖8是帶螺旋槳情況的計(jì)算結(jié)果。從圖中可以看到，由于螺旋槳的存在，槳前軸向速度得到了加速，因此軸向速度分布更加緊湊。橫向速度也受到螺旋槳的影響，不帶螺旋槳時(shí)向上的速度更強(qiáng)烈。圖9是不帶螺旋槳情況下船體尾部的壓力系數(shù)分布情況，圖10是試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果。從圖上可以看到等直線的分布位置和形狀都比較接近，說(shuō)明了本文數(shù)值計(jì)算已能很好地預(yù)報(bào)船體表面的壓力分布。圖11是螺旋槳/船體整體計(jì)算得到的船尾壓力系數(shù)分布等直線，它和圖12的試驗(yàn)結(jié)果相比較，符合的程度也比較好，這表明螺旋槳船體整體可以正確地預(yù)報(bào)船尾壓力分布。對(duì)比圖9和圖11，我們可以看到，在船體尾部的同一位置處，螺旋槳的存在使得壓力系數(shù)變小了。這也真實(shí)地反映了螺旋槳和船體之