吊舱推进器定常水动力性能计算

第ｌ４卷第１－２期　２０１０年２月　船舶力学　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｓｈｉｐ　Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ　Ｖｏ１．１４　Ｎｏ．１—２　

Ｆｅｂ．２０１０　

文章编号：１００７—７２９４（２０１０）０１—００２８—０６　吊舱推进器定常水动力性能计算　

郭春雨　，一，杨晨俊　，马　宁　（１上海交通大学海洋工程国家重点实验室，上海２０００３０；　２哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨１５０００１）　

摘要：采用ＦＬＵＥＮＴ软件进行拖式吊舱推进器水动力性能的计算，将整体计算域划分为三个区域进行从而达到　合理减少计算网格的目的。对于吊舱推进器的整体计算由于涉及到转子，定子物体的相互干扰问题，文中在模拟　相互干扰平均效果的定常情况计算中，采用混合面模型进行。对计算方法及边界条件的设置进行了详细介绍。讨　论了两种壁面函数对计算结果的影响。计算了不同进速系数下吊舱推进器的推力系数、扭矩系数。采用四套网格　进行了吊舱推进器水动力性能计算的比较分析，给出了详细的计算网格参数。分析了计算网格数对吊舱推进器　理论预报精度的影响。　关键词：吊舱推进器；螺旋桨；定常；ＣＦＤ　中图分类号：Ｕ６６１．３３＋６　文献标识码：Ａ　

Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　ｓｔｅａｄｙ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｐｏｄｄｅｄ　ｐｒｏｐｕｌｓｏｒ　

ＧＵＯ　Ｃｈｕｎ－ｙｕ　’ｚ，ＹＡＮＧ　Ｃｈｅｎ－ｊＵ１％　，ＭＡ　Ｍ　（１　Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｏｃｅａｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｊｉａｏ　Ｔｏｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ　２０００３０，Ｃｈｉｎａ；　２　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ＣＦＤ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ＦＬＵＥＮＴ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｐｏｄｄｅｄ　ｐｒｏｐｕｌｓｏｒ．Ｔｈｅ　ｒｅｇｉｏｎ　ｏｆ　ｆｌｕｉｄ　ｉｓ　ｄｉｖｉｄｅｄ　ｉｎｔｏ　ｔｈｒｅｅ　Ｄａｒｔｓ　ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｐｒｏｖｉｄｅ　ａｎ　ｅｃｏｎｏｍｉｃａｌ　ｇｒｉｄ．Ｂｅｃａｕｓｅ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｇｒａｌ　ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｐｏｄｄｅｄ　ｐｒｏｐｕｌｓｏｒ　ｉｎｃｌｕｄｅｓ　ｔｈｅ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｈｅ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　ａｎｄ　ｆｌａｍｅ，ｔｈｅ　ｍｉｘｉｎｇ　ｐｌａｎｅ　ｍｏｄ－　ｅｌ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｓｉｍｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ａｖｅｒａｇｅ　ｅｆｆｅｃｔ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ．Ｔｈｅ　ｔｈｒｕｓｔ　ａｎｄ　ｔｏｒｑｕｅ　ａｌｅ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｗｈｉｌｅ　ｔｈｅ　ｒｏｔａｔｉｎｇ　ｏｆ　ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ　ａｓ　ａ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｄｖａｎｃｅ　ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｆｏｕｒ　ｓｅｔｓ　ｏｆ　ｄｓ　ａｒｅ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ｐｏｄｄｅｄ　ｐｒｏｐｕｌｓｏｒ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｄｓ　ｎｕｍｂｅｒ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｉｓ　ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｐｏｄｄｅｄ　ｐｒｏｐｕｌｓｏｒ；ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ；ｓｔｅａｄｙ；ＣＦＤ　

１引　言　吊舱式推进器的概念在１９８９年被提出，该装置可以提高舰船总体性能，节省舱室空问，增加有效　载荷，提高舰船的作战使用效能，可充分发挥电力推进系统的优越性。２０世纪９０年代以来，英国海军的　油船、海洋考察船、加拿大海军的破冰船等多型辅助舰船采用了吊舱推进器。在未来新型舰船的论证与　研制过程中，一些发达国家均将吊舱推进器作为首选方案。近年来，国内的一些学者相继开展了吊舱推　进器水动力性能的理论及实验研究。文献［１］基于单桨式吊舱推进器定常水动力性能的理论计算方法及　试验，探讨了吊舱对螺旋桨水动力性能的影响。采用面元法，对螺旋桨与吊舱的相互影响进行了时间平　

收稿日期：２００９—０４—０５　基金项目：国家重大科技专项“船舶数字化智能设计系统”资助　作者简介：郭春雨（１９８１－），男，博士后，Ｅ－ｍａｉｌ：ｇｃｙ＿２＠ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ；杨晨俊（１９６４－），男，教授；　马宁（１９６１一），男，博士生导师，长江学者特聘教授。　第１－２期　郭春雨等：吊舱推进器定常水动力性能计算　２９　均及迭代处理，通过计算分析了吊舱对桨叶载荷分布的影响。文献［２］应用升力面理论涡格法和面元法　探索了吊舱推进器的定常水动力性能预报理论方法。文献［３］研究并建立了吊舱推进器螺旋桨的尾涡模　型。应用简单尾涡松弛方法，计算了不同进速系数下，尾涡线螺距角分布，建立了吊舱推进器螺旋桨的　尾涡模型。文献［４］对吊舱影响下的螺旋桨非定常性能，通过系统的计算和分析研究了螺旋桨负荷、吊舱　伴流各分量以及标称与实效伴流对吊舱推进器水动力性能的影响。文献【５］介绍了吊舱式推进器的特　点，分析了目前几种主要的吊舱推进器的模型试验方法及其特点，提出了在敞水、自航试验中需要关　注的问题。文献［６］对影响吊舱推进器螺旋桨性能的因素进行了分析，提出应用常规螺旋桨图谱估算吊舱　推进器敞水特性曲线的方法，通过保持盘面比不变改变螺距比迭代计算得到等效常规螺旋桨，根据得　到的螺距比变化规律和常规桨图谱，设计吊舱推进器和估算其敞水特性并给出算例。　本文采用ＣＦＤ软件ＦＬＵＥＮＴ计算了拖式吊舱推进器定常水动力性能。对于吊舱推进器的整体计算　由于涉及到转子／定子物体的相互干扰问题，本文在模拟相互干扰平均效果的定常情况计算中，采用混　合面模型进行。分析了针对转子／定子物体的相互干扰问题的特殊参数设置问题。计算了不同进速系数　下吊舱推进器的推力系数、扭矩系数。采用四套网格进行了吊舱推进器水动力性能计算的比较分析，给　出了详细的计算网格参数。分析了计算网格数对吊舱推进器理论预报精度的影响。　

２计算方法及边界条件的设定　ＦＬＵＥＮＴ可以进行整个计算区域或者部分区域存在移动的流动模拟。包括单个旋转坐标系和多旋　转坐标系。对于存在旋转体与定子相互干扰的情况下，能够进行转子或者推进器计算的模型共有四种：　（１）多参考系（ＭＲＦ）模型；　（２）混合面模型；　（３）滑移网格模型；　（４）动态网格技术。　多参考系（ＭＲＦ）是一种定常计算模型，模型中假定网格单元做匀速运动，是四种方法中最简单的　一种方法。这种方法适用于网格区域边界上各点的相对运动基本相同的问题。大多数时均流动都可以　用ＭＲＦ模型进行计算，特别是运动网格区域与静止网格区域间的相互作用比较微弱时可以使用ＭＲＦ　模型进行计算。ＭＲＦ模型的另一个用途是用来为滑动网格模型计算提供初始流场，即先用ＭＲＦ模型　粗略算出初始流场，再用滑动网格模型完成整个计算。　混合面模型是介于ＭＲＦ模型与滑动网格之间的一种求解一个或多个区域有相对运动的模型。在　混合面模型中，每一个流动区域被当作定常流场计算。在混合面各相邻域的交界面上，邻近区域的流　场数据是作为边界条件进入其他区域的。混合面模型忽略了周围环境的随机扰动对流场的影响，这对　时间平均流场的计算不会有太大的影响。　滑移网格模型则假定流动是非定常的，因此可以真　实地模拟转子与定子间的相互影响，所以在两者相互影　响不可忽略的情况下，应当选择滑移网格模型。　动网格模型可以用来模拟流场形状由于边界运动　而随时间改变的问题。边界的运动形式可以是预先定义　的运动，即可以在计算前指定其速度或角速度；也可以　是预先未做定义的运动，即边界的运动要由前一步的计　算结果决定。　本文在模拟螺旋桨叶与舱体、支架的相互干扰平均　图１流场计算域　

Ｆｉｇ．１　Ｇｒｉｄ　ｓｙｓｔｅｍ　ｏｆ　ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ　Ｆｅ￣ｌｏｆ＇ｌ　３０　船舶力学　第１４卷第１－２期　效果的定常情况计算中，采用混合面模型进行。在计算过程　表１螺旋桨主要几何参数　中采用非结构化网格，以减小网格生成的难度。吊舱推进器Ｔａｂ・１　Ｍａｉｎ　ｇｅｏｍｅｔｒｉｃａｌ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　水动力试验在上海交通大学空泡水筒实验室进行。桨叶及　旦！竺　！　．　吊舱尺寸如表１所示。计算流域如图１所示，计算域一共划　：　＿姒　二　一　分为三个域：在桨叶表面包围一个圆柱体控制域１，在此域　：：　、　’　内进行网格的细化；域２为吊舱以及支架所在的控制域。域　螺距比（０．７Ｒ）　１．２８４　

３代表远尾流场网格可以粗化，从而达到合理的减少计算网——　

格的目的。边界条件设置为来流速度入口，出口定义为压力出口。　

３　ｋ－ｅ模型的壁面函数选择　在受壁面限制的流动中，因为壁面附近流场变量的梯度较大，所以壁面对湍流计算的影响很大。　湍流模型中假定湍流是各向同性的，因此在壁面附近需要进行特殊处理。处理的一种办法是用半经验　公式将自由流中的湍流与壁面附近的流动连接起来，这种方法被称为壁面函数法。壁面函数法中又　有标准壁面函数法和非平衡壁面函数法。一般地说，标准壁面函数可以适用于大多数流动问题，因此　也是ＦＬＵＥＮＴ中缺省设置的方法。非平衡壁面函数法则适用于流场函数在壁面附近存在很大梯度的　流动问题。　在ＦＬＵＥＮＴ中，ｋ－ｅ模型无论是作为低雷诺数模型还是作为高雷诺数模型都是有效的。如果选中　Ｖｉｓｃｏｕｓ　Ｍｏｄｅｌ面板中的Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎａｌ　Ｆｌｏｗｓ选项，那么使用的是低雷诺数变量，那样的话，网格的指导　方针就和增强壁面函数的完全一样。如果没有选中该选项，网格指导方针就和壁面函数的一样。ＦＬＵＥＮＴ　为湍流近壁模型（标准壁面函数，非平衡壁面函数，和增强的壁面处理）提供了三种选项。本文针对１８０　万网格情况在参数设置相同的情况下对标准壁面函数，非平衡壁面函数处理进行了比较分析，如表２　所示可以看出在相同参数设置的情况下，吊舱推进器的水动力性能计算采用非平衡壁面函数法提高了　理论计算值的准确性。　表２实验值与数值计算结果　Ｔａｂ．２　Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｎｄ　ｔｅｓｔ　ｄａｔａ　ｏｆ　ｐｏｄｄｅｄ　ｐｒｏｐｕｌｓｏｒ　

４计算网格数对吊舱推进器水动力性能理论预报的影响　本文初步研究了流域计算网格数对吊舱推进器水动力性能的影响，计算中采用四套网格即１８０万　网格、２８０万网格、３８０万网格及５００万网格分别进行计算。表３－６分别列出了１８０万与５００万计算模　型的具体网格数，其中详细列出了桨叶、舱体以及支架表面的网格数。　表７—８所示为不同进速系数下桨叶的推力系数、扭矩系数的详细计算结果。图５表示四种网格下　的计算结果的比较。从计算结果来看，四种网格都很好地预报了桨叶的推力系数。采用１８０万网格时，