船舶摆线推进器水动力性能仿真研究_陈文文.pdf

船舶摆线推进器水动力性能仿真研究船舶摆线推进器水动力性能仿真研究陈文文1，吕峰1，陈练2，刘家昊3，张锋1(1.江苏科技大学船舶与海洋工程学院，江苏镇江212000；2.中国船舶信息中心，北京100101；3.江南造船(集团)有限责任公司，上海201913)摘 要:为了探究不同参数对摆线推进器的水动力性能影响，选取 NACA3412 翼型为推进器叶片模型，利用CFD 仿真技术对限定工况下摆线推进器的水动力性能进行模拟计算，验证仿真方法的有效性。在此基础上以自主选用的摆线推进器模型为研究对象，开展不同进速系数及偏心率对摆线推进器水动力性能影响的研究，得出不同初相位下叶片的受力变化规律，为摆线推进器水动力性能分析及其结构优化提供参考。关键词：摆线推进器；水动力性能；偏心率；进速系数中图分类号：U664.33文献标识码：A文章编号：16727649(2023)12001406doi：10.3404/j.issn.16727619.2023.12.003Simulation study on hydrodynamic performance of ship cycloidal propellerCHENWen-wen1,LVFeng1,CHENLian2,LIUJia-hao3,ZHANGFeng1(1.SchoolofShipandOceanEngineering,JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212000,China;2.ChinaShipInformationCenter,Beijing100101,China;3.JiangnanShipbuilding(Group)Co.,Ltd.,Shanghai201913,China)Abstract:Inordertoexploretheinfluenceofdifferentparametersonthehydrodynamicperformanceofcycloidpro-peller,NACA3412airfoilisselectedasthepropellerblademodelandCFDsimulationtechnologyisusedtosimulatethehydrodynamicperformanceofcycloidpropellerunderlimitedconditionstoverifytheeffectivenessofsimulationmethod.Basedonthis,theindependentlyselectedcycloidpropellermodelistakenastheresearchobject.Theeffectsofdifferentad-vancecoefficientsandeccentricitiesonhydrodynamicperformanceofcycloidpropellerwerestudied,andforcevariationlawsofbladesunderdifferentinitialphaseswereobtained,whichprovidesreferenceforhydrodynamicperformanceanalys-isandstructuraloptimizationofcycloidpropeller.Key words:cycloidalpropeller；hydrodynamicperformance；eccentricity；speedcoefficient0引言摆线推进器（cycloidalpropeller）也称直翼推进器，它是由一组数量不等的叶片等间距分布组成，叶片从船体表面伸向水中并与船体表面垂直,同时绕某特定点做圆周运动，由于叶片在空间上的运动轨迹是一条摆线，因此被称之为摆线推进器。摆线推进器在保持回转箱转速恒定的情况下也能快速改变推力的大小和方向，其高效的操纵性使得船舶能实现侧向移动、原地回转等一系列高难度的动作，安装了摆线推进器的船舶在低速航行状态下的控制力也大大提高。摆线推进器近些年来的研究主要分为理论研究和实验研究 2 个阶段。在实验研究阶段，张洪雨1利用设计的偏心盘-偏心率-连杆机构实验装置研究了不同方向角、偏心率等工况下摆线推进器的水动力性能变化。段瑞2设计了一种偏角可控直叶片摆线推进器的试验装置，计算了叶片在不同状态下的推力系数，扭矩系数，并依据叶片的非定常效应以及叶片之间的相互干扰，对计算结果进行修正。陈先进3提出了一种曲柄滑块机构，并将其应用在摆线推进器上,相比于传统的摆线推进器，其具有高效、结构简单、螺距连续可调的优点。在理论研究阶段，谷口中4提出一套适用于实际应用中的理论模型，并利用动量定理，对诱导速度的计算公式进行了经验补充。Nakonechny等5通过对大量实验值的分析，得出谷口中法的适用第 45卷第12期舰船科学技术Vol.45,No.122023年6月SHIPSCIENCEANDTECHNOLOGYJun.,2023收稿日期:20220921作者简介:陈文文(1997)，男，硕士研究生，研究方向为船舶推进器的水动力性能。范围为中小进速系数，当进速系数较大时，得到的计算值与实验值误差偏大。朱典明6以此为基础，对谷口中的计算方法进行了优化，从而提高了计算结果的准确度。顾欣星7利用滑移网格建立摆线推进器的水动力性能模拟方案，依靠研究的结果对摆线推进器的叶片翼型等结构参数进行优化，总结叶片翼型变化对推进器推进效率的影响。本文选取和 NSRDC 实验中翼型相近的 NACA3412翼型，对仿真方法的可靠性进行验证，基于验证的CFD 的数值模拟方法，分析进速系数以及偏心率变化对摆线推进器的性能影响，并总结不同初相位下叶片之间的受力变化趋势。1摆线推进器的工作原理摆线推进器工作过程中，叶片随着推进器叶轮做圆周运动，叶片本身还在做升沉摆动，摆动运动的中心点是叶片的自转中心点，2 种运动的合运动为摆线运动。叶片随着摆线推进器转轮旋转时，所有叶片弦线的垂线始终汇交于一个点，即满足“法线相交定律”，如图 1 所示。相交的这个点称为偏心点 N。摆线推进器叶片的受力是升力与阻力的叠加，2 个力的合方向垂直于偏心 ON，所以通过移动偏心点 N 的位置，可以改变叶片和来流方向之间的角度，这就是调节摆线推进器推力方向的原理。图1摆线推进器叶片运动原理Fig.1Motionprincipleofcycloidpropellerblades若当叶片的弦线始终与摆线圆周轨迹的切线方向保持同向，摆线推进器将不会产生推力，此时推进器转动 1 周前进的距离称为摆线推进器的螺距。当改变偏心点 N 的方向时，相当于在叶片与轨迹线的夹角上增加或减小了 1 个角度，从而可以改变推力的大小和方向，叶片在 1 个周期内的运动轨迹如图 2 所示。摆线推进器旋转中心点为 O 点，点 O 和点 N 之间ON 的距离称为偏心距。叶片弦线与叶片自转中心点处圆周切线之间的夹角为，叶片自转中心点和偏心点 N 之间的连线与直线 ON 之间的夹角为。根据外角定理可得：=+，(1)通过数学关系求解可得：=arccose+cos1+e2+2ecos。(2)t根据定义，角 对时间 求导,即为叶片的自转角速度，可求得：=e2+ecos1+e2+2ecos。(3)e=OND=t其中：偏心率；为摆线推进器的角速度。图3摆线推进器的运动模型Fig.3Motionmodelofcycloidpropeller2数学模型 2.1 三维模型选取 NACA0012 翼型作为摆线推进器叶片模型，叶片最大厚度位于 29.6%的翼弦处，最大弯度位于0.0%翼弦处，叶片翼型如图 4(a)所示。选取 CATIA 软件对推进器进行建模，摆线推进器模型如图 4(b)所示，推进器模型的主要参数如表 1 所示。图2摆线推进器叶片轨迹示意图Fig.2Geoidpropellerbladetrackschematics第45卷陈文文，等：船舶摆线推进器水动力性能仿真研究15 2.2 控制方程摆线推进器前进时的运动速度较小，其周围的流体可看作不可压缩流体，其满足质量守恒定律的同时，也满足 N-S 方程。ux+vy+wz=0,(4)ut+(u2)x+(uv)y+(uw)z=X1px+v2uvt+(vu)x+(v2)y+(vw)z=Y 1px+v2vwt+(wu)x+(wv)y+(w2)z=Z1px+v2w|。tpuvwxyzXYZ其中：表示流体介质的密度；表示物理时间；为压力；，和分别为流体速度在，和 方向上的分量；，和 为微元体质量力的分量。3计算域和网格 3.1 边界条件及初始条件摆线推进器叶片的运动是自转和公转的叠加运动，较为复杂，因此需要优化 CFD 计算方案研究摆线推进器的敞水性能。利用 STAR-CCM+中重叠网格模拟叶片自转和绕叶轮公转的运动。选取的计算域为一圆柱体，计算域的范围是以推进器的公转轴为中心，靠前端 5m，靠后端 12m，计算域半径为 5m，计算域的边界选取的足够大，以减小边界效应对计算精度的影响。摆线推进器的计算域由静止域和旋转域组成，静止域用于模拟流体的平面流动，旋转域用于模拟摆线推进器叶片复杂的运动。有关边界条件的设定如图 5 所示，边界类型分为速度进口、压力出口、对称平面。流场的入口设定为速度进口，流场出口设定为压力出口，流场侧边界设定为对称平面，叶片的表面类型设定为壁面，5 个圆柱面区域边界类型设定为重叠网格，并创建静止域和各圆柱表面的界面，类型设定为重叠网格。图5计算域示意图Fig.5CalculationdomainschematicsSST k-SST k-k-考虑到叶片翼型以及叶片壁面剪切力的影响，选取湍流模型,湍流模型相比模型，能够适用于更为复杂的流场，计算结果的可靠性更高8。计算域流场的湍流强度和湍流粘度比等参数设定为软件默认值，计算时间步长选取为0.002s。3.2 网格划分计算域的网格尺寸为 0.5m，叶片自转中心设置在叶片弦线的中点，叶片的网格尺寸设置为 0.03m，并对各叶片的导边和随边进行加密。以 5 个叶片各自的自转轴为中心，半径为 0.5m 创建 6 个小圆柱体。以各个小圆柱体为目标零部件，与对应的叶片进行减运算得到单个叶片旋转域。以整个推进器叶轮的旋转轴为中心轴，对称建立一个边长为 3.5m，高度为 2.2m的方形网格加密区，以保证数据交换的稳定和计算结果的精确。网格加密区域包括了摆线推进器的 5 个叶片及其旋转域，加密区的布局如图 6 所示。通常在进行 CFD 仿真分析时，网格越密计算得出的结果就更精确，与此同时工况计算量会加大，相应的仿真时间也会更长。综合计算结果的精度以及运行时间等因素考虑，加密区的网格尺寸设置为 0.03m，和 5 个叶片旋转域的网格尺寸相同，以保证数据传输过程中不会出现太大的波动落差。图4叶片翼型及推进器几何模型Fig.4Geometricmodelofbladeairfoilandpropeller表 1 推进器模型参数Tab.1Propellermodelparameters参数数值参名数值叶片翼型NACA0012叶片弦长/m0.48叶片数量5叶长/m1.7推进器回转直径/m2叶片自转轴位置/%5016舰船科学技术第45卷4计算结果与分析沿着各个叶片前进方向分解各叶片所受外力，即可得到某瞬态时刻下的摆线推进器主推力，对一个周期内的平均主推力进行叠加9，得T=zi=11220ti()d。(5)同理，把各桨叶旋转 1 周的平均转矩进行叠加，得Q=zi=11220qi()d。(6)zti()qi()其中：表示推进器的叶片数；T表示摆线推进器产生的主推力；Q表示摆线推进器产生的扭矩；，分别表示叶片轨迹角为 时的主推力、扭矩。对以上公式进行无因次化，即可得到推力系数，扭矩系数，推进器效率。KT=Tn2D3L，(7)KQ=Qn2D4L，(8)=J2KTKQ。(9)J式中：表示进速系数；表示推进器