非定常工况下导管对螺旋桨水动力性能的影响_王贵彪.pdf

SHIP ENGINEERING 船 舶 工 程 Vol.45 No.1 2023 总第 45 卷，2023 年第 1 期 77 非定常工况下导管对螺旋桨 水动力性能的影响 非定常工况下导管对螺旋桨 水动力性能的影响 王贵彪1,2a，单长飞3，李国强2b，崔雪亮1,2a，张海波1,2a（1浙江省海洋水产研究所，浙江舟山 316201；2浙江海洋大学，a.海洋与渔业研究所;b.船舶与海运学院，浙江舟山 316201；3挪威船级社（中国）有限公司 江阴分公司，江苏江阴 214400）摘 要：摘 要：以某远洋拖网渔船的导管桨为例，在有无导管情况下，利用计算流体力学（CFD）计算软件对螺旋桨在桨叶折断、锁死和四象限等非定常工况下的水动力性能进行计算，并对桨叶表面压力分布和桨后流场情况进行分析与对比。结果表明：随着进速系数的增大，导管推力不断减小，使得导管桨的推力和敞水效率在低进速系数下比无导管螺旋桨大；完整桨叶时导管推力系数明显大于桨叶折断状态，但某一桨叶折断程度对导管的推力无明显的影响；在桨叶锁死下，导管的阻力远高于其所提供的推力；导管的存在能在各象限下极大的改善桨后尾流状态。关键词：关键词：螺旋桨；导管；非定常工况；水动力性能；影响 中图分类号：中图分类号：U664.33 文献标志码：文献标志码：A 【DOI】10.13788/ki.cbgc.2023.01.12 Influence of Duct on Hydrodynamic Performance of Propeller under Unsteady Conditions WANG Guibiao1,2a,SHAN Changfei3,LI Guoqiang2b,CUI Xueliang1,2a,ZHANG Haibo1,2a(1.Zhejiang Marine Fisheries Research Institute,Zhoushan 316201,Zhejiang,China;2.Zhejiang Ocean University,a.Institute of Oceanography and Fisheries;b.School of Naval Architecture and Maritime,Zhoushan 316021,Zhejiang,China;3.Jiangyin Branch,DNV China Company Limited,Jiangyin 214400,Jiangsu,China)Abstract:Taking the ducted propeller of a deep-sea trawler as an example,the hydrodynamic performance of propeller with or without duct under unsteady conditions such as blade breaking,locking and four quadrant is calculated by Computational Fluid Dynamics(CFD)software,and the pressure distribution on the blade surface and the flow field behind the propeller are analyzed and compared.The results show that:the duct thrust decreases continuously with the increase of the advance coefficient,so that the thrust and open water efficiency of the duct propeller are greater than that of propeller without duct at low advance coefficient;when the blade is intact,the duct thrust coefficient is obviously greater than that in the blade breaking state,but the breaking degree of a certain blade has no obvious effect on the thrust of the thrust of duct;when the blade is locked,the resistance of the duct is much higher than the thrust provided by it;the existence of duct can greatly improve the wake state behind the propeller in each quadrant.Key words:propeller;duct;unsteady condition;hydrodynamic performance;influence 0 引言引言 导管桨是由螺旋桨和外围的一个翼形环所构成，由于能提供明显优于普通螺旋桨的推力使其在渔船和拖轮等船舶上应用得十分广泛。目前，导管对螺旋桨水动力性能的影响研究主要集中于定常工况，众多学者1-6通过面元法或计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）方法分析了导管的大小、形状、攻角、叶梢间隙和收缩伸张系数等各参数对导管桨水 收稿日期：2022-01-25；修回日期：2022-04-07 基金项目：国家重点研发计划“蓝色粮仓科技创新”重点专项（2019YFD0901504）；2022 年院所扶持专项（HYS-CZ-202210）。作者简介：王贵彪（1986），男，硕士、工程师。研究方向：渔船装备与技术。船舶动力、推进装置和辅机设备 78 动力性能的影响，但在导管对螺旋桨在非定常工况下的水动力性能方面的研究却极少。本文以某 44 m 远洋拖网渔船的导管桨为研究对象，对螺旋桨在桨叶折断、锁死和四象限等非定常工况下，利用CFD 计算软件对比导管对螺旋桨的水动力性能的影响，分析有无导管情况下螺旋桨推力特性和敞水效率的变化规律，讨论导管在非定常工况下对桨后流场的影响，能够为导管螺旋桨的设计和普通螺旋桨改装为导管桨提供一定的依据。1 控制方程及湍流模型控制方程及湍流模型 1.1 控制方程控制方程 本文研究的对象为不可压缩流体，其连续性方程和RANS方程7可表示为 0iiux=（1）()()iijjiijiijjuu utxupu ufxxx+=-+-+|（2）式（1）和式（2）中：ui为xi方向的时均速度；为流体密度；t为时间；p为流体时均压力；为流体动力黏 度；iju u 为雷诺应力；fi为体力。1.2 湍流模型湍流模型 采用RNG k-模型对雷诺平均方程进行封闭。在RNG k-模型中，通过在大尺度运动和修正后的黏度项体现小尺度的影响，而使这些小尺度运动成系统地从控制方程中去除，其表达式见式（3）和式（4）。由于篇幅的关系，式中各项参数的含义不再一一赘述，详见文献8。eff()()iikkjikuktxkGxx+=+|（3）21eff2()()()iikiiutxCGCxxkk*+=+-|（4）2 模型建立与网格划分模型建立与网格划分 2.1 几何模型几何模型 44 m远洋拖网渔船采用的是KA4-55型螺旋桨和No.9A号导管，其主要参数见表1。将螺旋桨二维坐标转为三维坐标后导 入ANSYS-ICEM建立几何模型，其模型见图1和图2。表1 导管和螺旋桨参数表 部位 参数 数值 导管 内径/m 3.02 螺旋桨 直径/m 3.00 叶数 4.00 盘面比 0.55 螺距比 1.42 图1 导管桨几何模型 图2 无导管螺旋桨模型 2.2 计算域选取与网格划分计算域选取与网格划分 选取的计算域为一圆柱体，共选取2种计算域范围以计算不同象限有无导管时螺旋桨的水动力性能，第1象限和第4象限以及第2象限和第3象限分别采用相同范围的计算域，具体见表2（D为螺旋桨直径）。其中第1象限的计算域见图3。在进行桨叶折断和锁死时均采用第1象限的计算域进行计算。表2 计算域选取设置 计算域工况 计算域 直径 计算域 长度 入口距旋转中心距离 第1象限正车前进3.5D 12.0D 3.0D 第2象限正车后退4.0D 12.0D 3.0D 第3象限倒车前进4.0D 12.0D 3.0D 第4象限倒车后退3.5D 12.0D 3.0D 图3 第1 象限计算域示意图 王贵彪等，非定常工况下导管对螺旋桨水动力性能的影响 79 在网格划分时，外围计算域网格采用六面体结构网格划分，而包含螺旋桨的内域网格则采用四面体网格，其中边界层网格采用三棱柱网格划分。图4和图5分别为桨叶折断1/4时的导管桨和桨叶折断3/4时的螺旋桨表面网格。图 4 导管桨桨叶折断 1/4 网格 图 5 螺旋桨桨叶折断 3/4 网格 2.3 边界条件及初始条件设置边界条件及初始条件设置 将计算域入口和圆柱外围远场设置为速度入口；将计算域出口设置为压力出口；将内外计算域的交界面设置为interface交界面条件；将导管、螺旋桨壁面设置为速度无滑移条件，其中螺旋桨壁面设置为与参考坐标系相对静止，而导管壁面则设置为绝对静止条件。初始条件设置见表3，而第2象限、第3象限和第4象限则根据实际情况设置相反的来流速度或旋转方向，桨叶锁死情况下螺旋桨转速为0。表 3 初始条件设置 参数 数值 来流速度/(m/s)0,0.48,0.96,1.44,1.92,1.92 进速系数 0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0 螺旋桨转速/(r/s)0,10 3 导管对桨叶折断或锁死下螺旋桨水动力性能影响导管对桨叶折断或锁死下螺旋桨水动力性能影响 对导管螺旋桨和无导管时螺旋桨在桨叶无折断、折断1/4、折断1/2、折断3/4和锁死情况下的推力和敞水效率特性进行模拟与对比，分析导管对螺旋桨水动力性能的影响，其中螺旋桨的推力系数、扭矩系数和敞水效率分别按式（5）式（7）进行计算9。djT24TTKn D+=（5）djQ25QQKn D+=（6）TQ2KJK=（7）式（5）式（7）中：Td和Tj分别为导管的推力和扭矩；Qd和Qj分别为螺旋桨的推力和扭矩；J为螺旋桨的进速系数；n为螺旋桨转速；D为螺旋桨直径。3.1 不同程度断叶下螺旋桨水动力特性不同程度断叶下螺旋桨水动力特性 图6图8中0.25、0.50和0.75分别表示导管桨或螺旋桨1片桨叶所折断的比例，而其余3片均完好。各模型的推力系数、扭矩系数、敞水效率见图6图8，其中计算导管桨的推力系数时包含了导管的推力。图6 推力特性曲线 图7 扭矩特性曲线 图8 敞水效率曲线 船舶动力、推进装置和辅机设备 80 由图6可知：在进速系数J=0时，导管桨的推力明显大于无导管螺旋桨；从进速系数J=0.2开始，两者的推力系数随着进速系数的增大而不断减小，同时导管桨的减小幅度明显大于普通螺旋桨；当进速系数J0.6时，普通螺旋桨的推力大于导管桨。从桨叶折断多少的对比分析可知：两者的推力系数均随着桨叶折断比例的增大而减小，桨叶从未折断到折断1/4所下降的推力系数远远大于桨叶折断1/4至折断3/4所下降的数值。对导管推力系数而言，完整桨叶时导管推力系数明显大于桨叶折断状态，但某一桨叶折断的多少对导管的推力无明显的影响。由图7可知：除J=0外，螺旋桨的扭矩系数显著大于导管桨。无导管螺旋桨导管桨和无导管桨的扭矩特征曲线各自保持一定的变化规律，导管桨的扭矩系数随进速系数的增大而减小，且进速系数越大扭矩系数下降的越快。无导管螺旋桨的扭矩系数先增大后减小，在J约为0.2时有明显的拐点。在另一方面，两者的扭矩系数均随着桨叶折断比例的增大而减小，桨叶从未折断到折断1/4所下降的扭矩系数远远大于桨叶折断1/4至