现代制造工程2010年第4期试验研究
CFD在计算船舶螺旋桨敞水性能中的应用研究
刘丹,陈凤馨
(南京工业大学机械与动力工程学院,南京210009)
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摘要:对流场中螺旋桨的敞水性能进行研究。利用Pro/E,面型线,利用创建实体功能得到螺旋桨实体模型。用CFD、转矩系数以及推进效率进行模拟,软件计算螺旋桨敞水性能的过程进行详细介绍,,数值模拟的结果可以满足工程应用要求。关键词:CF;中图分类号: 文章编号:1671—3133(2010)04—0018—04
ApplicationresearchofCFDaboutcalculationof
propelleropenwaterperformance
LIUDan,CHENFeng2xin
(NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)
Abstract:Studiedtheopenwaterperformanceofpropellerintheflowfields.Three2dimensionalmodelwasbuiltforpropellerbythePro/E,theprofilelineofbladeisdescribedbasedoncoordinatetransformation,inaddition,byusingtheentityfunction,thesolidmodelofpropellerwascreated.Underdifferentadvancecoefficients,thethrustcoefficient,torquecoefficientandpropulsiveefficiencyofthepropellerhavebeensimulatedbytheCFD.Thecalculationresultsofthethreeturbulentmodelswereanalyzed.ThedetailprocessofusingFluenttocalculatetheopenwaterperformanceofpropellerwasintroduced,throughwhichtheopenwaterperformancecurvewasprovided.Acomparisonbetweentheanalysisresultsandtheexperimentalresultsshowedthatthenumericalsimulationscanbeusedforengineeringapplication.
Keywords:CFD;propeller;openwaterperformance;three2dimensionalmodel
0 引言
螺旋桨设计的主要问题是在满足螺旋桨吸收轴功率、拉力和转速的前提下,力求使螺旋桨的质量小,效率高,噪声小,并保证具有一定的结构安全余度。螺旋桨设计的结果需要经过螺旋桨模型的敞水试验、自航试验和空泡试验等验证并修改。然而由于桨叶曲面形状复杂,桨模制作周期较长,造价昂贵,因此桨模试验不能快速预报螺旋桨敞水性能。从19世纪中叶提出动量理论和叶原体理论到现在,基于势流理论建立的升力面理论和面元法在螺旋桨的设计以及性能预测中得到广泛应用。近年来,随着计算机技术和计算流体力学的发展,CFD软件在工程领域已得到广泛的应用。相对于物理模型的试验,CFD数值模拟具有成本低、周期短、适应性强和应用广泛等特点。
3国家自然科学基金项目(50675097)
本文通过螺旋桨的基本参数在Pro/E软件中建立三维模型,采用CFD软件,基于雷诺时均方程对螺旋
桨进行数值模拟,得出不同进速系数下的敞水性能曲线,并对结果进行分析。同时比较三种湍流模型:标
ε模型、ε模型和Realizablek2ε模型的计准k2RNGk2算结果。
1 CFD软件应用策略
CFD软件应用计算流体力学理论与方法,利用具
有超强数值运算能力的电脑,编制计算机运行程序,数值求解满足不同种类流体的运动和传热传质规律的三大守恒定律及附加的各种模型方程所组成的非线性偏微分方程组,得到确定边界条件下的数值解。其基本思想就是通过划分网格把原来在时间域及空间域上连续的物理量的场,用一系列有限个离散点上
试验研究
的变量值的集合来代替,通过一定的原则和方式建立关于这些离散点的场变量之间关系的代数方程,然后求解代数方程组获得变量的近似值。CFD特有的经济性、时效性和可靠性,使得用较少的费用在较短的时间可以获得大量有价值的研究结果。因此,将CFD与工程研究相结合,不仅有助于工程设计的改进,而且能减少实验的工作量,CFD是一种有效和经济的研究手段。
用CFD求解螺旋桨敞水性能的流程如图1所示。本文运用Fluent进行数值模拟,Fluent面,适用性广,国内使用广泛的格生成非常有效
现代制造工程2010年第4期
功能将空间闭合曲面转化为实体,从而得到螺旋桨的实体模型如图2所示,其中Z轴为螺旋桨旋转轴,以船首方向为正向,X轴为桨叶参考线方向,Y轴服从右手法则
。
图2 螺旋桨的实体模型
212 计算域与网格划分
本文研究的是螺旋桨在定常稳态条件下的敞水
性能,将建好的三维模型置于直径为5D(D为螺旋桨直径)的圆柱体中心,计算域的内边界取在叶片和桨毂的表面上,外边界取在圆柱体表面(无穷远边界)。为计算需要,在划分网格时局部加密,将计算流域划分成两个几何区域,螺旋桨附近的计算域采用较密集的网格,外围流域采用较稀疏的网格。这样既控制了网格总数,又保证了计算精度和效率。本文螺旋桨表面网格划分如图3所示
。
图1 用CFD数值模拟螺旋桨敞水性能流程
图3 螺旋桨网格划分
2 研究对象及其计算模型
211 螺旋桨三维模型的建立
213 控制方程及边界条件
Fluent中处理旋转机械流动问题的模型有旋转坐
标系模型(RotatingReferenceFrame)、多参考坐标系模
本文研究的螺旋桨为四叶的常规桨。通过螺旋
桨基本参数和各叶切面二维形状尺寸,建立与螺旋桨曲面所有型值点空间坐标的关系式,求出三维建模所用型值点坐标;利用Pro/E软件进行三维造型,根据012R～0195R(R为螺旋桨半径)的一系列叶剖面的型线数据绘制各个叶剖面的型线;在由二维坐标转换为三维型值点坐标时,需要对桨叶叶根和叶梢处进行插值修正处理。采用边界混合的方式以翼形曲线为轮廓生成叶片的曲面,桨毂简化为圆柱面。用创建实体
型(MRF)、混合平面模型(MixingPlane)和滑移网格模型(SlidingMesh)。本文选择旋转坐标系模型,旋转坐标系模型适用于不考虑定子影响的流场,其思想就是在视转子为静止的旋转坐标系里进行定常计算,这里将螺旋桨视为没有定子的转子。控制方程采用旋转相对坐标系下的不可压缩流体雷诺时均方程组,湍
ε模型、ε模型以及Re2流模型分别采用标准k2RNGk2
ε模型。速度进口边界给定均匀来流的各个alizablek2
现代制造工程2010年第4期
速度分量;出口边界给定表压为0(相对于工作压强);螺旋桨和圆柱体表面采用无滑移边界条件,近壁区的黏性底层采用标准壁面函数简化处理;计算域流体则按Fluent软件提供的运动参考坐标系模型,设置绕Z轴以角速度ω旋转。
试验研究
验值非常接近,表明CFD对螺旋桨的模拟计算已经很
ε精确,具有可信度。从表1中可以看出采用RNGk2