螺旋槳流場中敞水性能的數(shù)值模擬研究

螺旋槳流場中敞水性能的數(shù)值模擬研究

1維各流域內(nèi)三維各應力方程通過fluent前處理器gambit的計算，fluent在螺旋管行業(yè)中求解三維粘性不可壓縮的燕波方程rans。根據(jù)螺旋槳的幾何特點,對網(wǎng)格進行分塊處理,在保證計算精度的前提下,構建出一種適用于螺旋槳敞水性能計算的多塊計算網(wǎng)格,并結合k-ε兩方程湍流模型的的改進型式RNGk-ε模型對螺旋槳敞水性能進行數(shù)值模擬,得出螺旋槳的相關性能參數(shù),分析了螺旋槳槳葉的應力分布特點以及一個周期內(nèi)推力和轉矩的變化狀況。2計算值的過程2.1流場的建立及網(wǎng)格劃分利用CAD軟件Pro/E建立螺旋槳幾何模型。為與相應的經(jīng)驗曲線進行比較,計算螺旋槳為等螺距槳,無縱向傾斜,主要參數(shù),如表1所示。將模型置于一個與螺旋槳同軸線的圓柱形流暢區(qū)域中,流場的長度取10D,直徑取5D,如圖1所示。在流場區(qū)域內(nèi)在建立一個旋轉區(qū)域,該區(qū)域直徑取1.2D,以模擬螺旋槳旋轉時附近流體的旋轉。流場控制體其他區(qū)域為靜止區(qū)域。對圓柱形流場區(qū)域采用結構化網(wǎng)格,對螺旋槳導邊、隨邊、葉梢、葉根及于槳轂結合的部分進行網(wǎng)格加密以捕捉重要的流場信息。整個流場節(jié)點數(shù)有40多萬個,網(wǎng)格單元有120多萬。螺旋槳面上的網(wǎng)格劃分,如圖2所示。2.2mrf模型的生成在螺旋槳的敞水計算中,整個計算區(qū)域均相對某個參考坐標系作旋轉運動,而螺旋槳周圍不存在與其相互干擾的物體,因此可選用Fluent軟件提供的運動參考坐標系模型(即MRF模型)。在進口邊界處設置為速度進口條件,出口邊界定義為壓力出口,圓柱體側面設為壁面,外部大的流域與內(nèi)部小的流域之間重合的圓柱體表面設為interior面。壁面設為無滑移固壁條件,在近壁區(qū)采用標準壁面函數(shù)并考慮壁面粗糙度的影響。3數(shù)值計算結果的分析3.1模型模擬結果分析取工作轉速為600r/min,進速系數(shù)J的范圍為(0.4~0.8)(5個點),保持轉速n不變,進速系數(shù)J的變化由改變進速VA實現(xiàn)。進速系數(shù)J、推力系數(shù)KJ、扭矩系數(shù)KQ、敞水效率η表達式分別如下:式中:ρ—密度;T—推力;Q—扭矩。計算所得的敞水性能結果與經(jīng)驗值的比較,如表2所示。敞水性能曲線的比較,如圖3所示。由圖3可見運用FLUENT進行的數(shù)值模擬計算結果和經(jīng)驗數(shù)據(jù)趨勢一致,誤差在15%以內(nèi)。隨進速系數(shù)J的增加,誤差逐步減小。當進速系數(shù)J為0.6時,兩者的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)、推進效率吻合最理想。3.2葉梢壓力分布以螺旋槳進速系數(shù)J=0.5時的工況為例,分析槳葉表面的壓力分布狀況,如圖4所示。在壓力面(葉片推水的一面)上,從葉根到葉梢,壓力不斷增加,在0.65r左右達到最大,然后逐漸減小,在葉梢處達到最小值,且壓力由隨邊向導邊逐漸增大,在導邊處達到最大;在吸力面,壓力分布的主要特點是中間部分壓力較小,導邊與隨邊處相對較大。如不考慮其他槳葉的影響,在吸力面上,壓力分布應該是由導邊向隨邊逐漸減小的過程,但實際上由于相鄰槳葉間的相互干擾作用,而使此槳葉的吸力面的受力情況發(fā)生變化。3.3葉根至葉梢速度的變化螺旋槳葉面上的流體速度矢量圖,如圖5所示。在葉面上,從葉根到葉梢,速度不斷增大,在葉梢處達到最大值。流體經(jīng)過螺旋槳表面后,速度急增;在槳轂尾部出現(xiàn)部分速度矢量方向與來流方向相反,反映了螺旋槳對流體一定的抽吸作用。3.4葉片振動的變化推力周期性變化通過推力軸承傳至船體,引起船體和軸系的軸向振動;轉矩的周期性變化導致軸系的扭轉振動。葉片旋轉一周中推力和轉矩的變化狀況,如圖6所示。槳葉在一個周期內(nèi),力矩M1、M2、M3的變化范圍在(79~129)%之間,推力P1、P2、P3在(73~138)%之間。單個葉片的推力和轉矩變化較為強烈,但3個葉片疊加后整個螺旋槳的推力和轉矩變化較為緩和。4船舶螺旋水動力特性理論(1)運用FLUENT進行螺旋槳敞水性能計算,計算精度滿足要求,計算流程可用于工程分析研究。(2)螺旋槳槳葉上的壓力分布、速度矢量以及一個周期內(nèi)的推力、力矩的仿真計算結果可為螺旋槳的設計提供參考。對于船舶螺旋槳水動力理論研究,目前比較成熟的理論包括升力線理論、升力面理論和面元法。這三種理論都基于流體無粘性的勢流假設前提,而對于粘性流場的分析