基于多参考系和滑移网格模型的吊舱推进器水动力性能研究.doc

基于多参考系和滑移网格模型的吊舱推动器水动力性能研究闯振菊1, 黄 胜1, 胡 健1 ，解学参1（1,哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江省哈尔滨市 150001）摘要：运用CFD软件，结合多参考系方法和滑移网格技术对粘性流场中某型拖式吊舱推动器的定常及非定常水动力性能进行了研究，得到了吊舱推动器的敞水性征曲线，以及随着进速系数的变化吊舱推动器在X,Y,Z三个方向上推力和转矩的变化规律。在数学的建模过程中，运用FORTRAN语言编制了计算吊舱推动器型值点的程序，然后把计算值导入FLUENT的前解决器GAMBIT建立了光滑的三维计算模型。文中给出了吊舱推动器表面的压力分布图，以及桨盘面处的轴向，径向和切向的速度分布图。计算结果表白，螺旋桨的推力及转矩呈周期性振荡变化，并且振荡的频率以一倍叶频为主，在支架的正前端存在一个轴向和切向速度的高峰区。关键词:吊舱推动器，CFD，多参考系模型，滑移网格模型，水动力性能Abstract: Use CFD method and combined with MRF and Moving Mesh technology to do some research on the podded propellers hydrodynamic performance in the viscous flow field. Obtained its characteristic curve and the regularity of the force and moment in X,Y,Z directions. The nodes of podded propeller were calculated by FORTRAN program, which were fitted through NUMBS method in GAMBIT so as to establish the calculating model. This paper showed the pressure distribution on the blades, and the axial, radial and tangential velocity on the surface of the blade. The results showed that the force and moment of the podded propeller vibrates periodically, and there is a high axial and tangential velocity zone before the pod.Key Words: podded propeller, CFD, MRF, Moving Mesh, hydrodynamic performance1 引言吊舱式推动器是近年来发展起来的一种新型的船舶推动系统，是目前船舶推动系统研究开发领域引人瞩目的焦点。POD推动器重要由支架、吊舱和螺旋桨等部件构成。其中，吊舱通过支架悬挂在船体下面，舱体内置电机直接驱动舱体前端和（或）后端的螺旋桨。其设计思想的革命性在于，它把螺旋桨驱动电机置于一个能360o回转的吊舱内，悬挂在船下，集推动装置和操舵装置于一体，省去了通常所使用的推动器轴系和舵。POD推动器将推动系统置于船外，可以节省船体内大量的空间，从而极大地增长了船舶设计、建造和使用的灵活性。目前国内在吊舱推动器方面重要关注其水动力性能，目前研究水动力性能重要有两种方法：势流方法和粘性流方法。势流方法的基本假设是把水当作一种无旋、无粘的抱负流体，不考虑水的粘性作用，同时不考虑流体分离。粘性流方法相对于势流理论在上述方面有一定的优越性，可以近似的模拟流场的真实流动。鉴于此文章用选择CFD方法来计算吊舱推动器的水动力性能。2 CFD方法的基本理论2.1多参考系模型（MRF）的基本理论MRF模型是旋转单元体的稳态近似。它求解出来的流场是一个充足发展的流场，这个流场再以一定的速度运动就可以得到实际的流场，多参考系模型方法是近似的，当螺旋桨和舱体之间互相作用相对较弱时可以使用MRF模型求解吊舱推动器的定常水动力性能。2.1.1连续性方程旋转坐标系下的连续性方程表达为: (1） 写成张量形式为： （2）式中，是密度，是时间，是速度矢量。此式是瞬态三维可压流体的质量守恒方程。若流体不可压，或者密度为常数。则其散度形式为2.1.2 相对速度公式在MRF方法中计算区域分为不同的子域，每个子域的控制方程是关于子域参考系而写的。在两子域间的边界，子域的控制方程的扩散项和其他项需要邻近子域的速度值，使用相对速度公式，每个子域的速度相对于子域的运动计算。速度和速度梯度从移动参考系如下描述的转换到绝对惯性系。计算区域旋转轴的初始位置的位置向量定义为： （3）图1相对速度坐标系这里的是笛卡儿坐标的位置向量，是计算区域旋转轴的初始位置。移动参考系的相对速度可以通过以下方程转换为绝对（静止）参考系的值： （4）这里的速度是绝对惯性参考系的速度，是相对非惯性参考系的速度值，是非惯性参考系的平移速度.根据定义的相对速度，绝对速度向量梯度以下式子给予; （5）2.2滑移网格模型（Moving Mesh）的基本理论滑移网格模型可使在交界面两侧的网格互相滑动，而不规定交界面两侧的网格结点互相重合。但要计算交界面两侧的通量，并使其相等。为了计算交界面的通量，一方面在每一新的时间步拟定出交界面两边交界区的重合面。基本上，通过网格重合面的通量，是由交界面两边交界区的重合面计算，而不是用整个交界面计算。非定常流动计算中，在流体机械的旋转部件出口与固定部件进口间形成网格滑移的交界面。当转子和定子的交互作用应用实时解法(而不是时均解法)时，必须用滑动网格模型计算非稳态流场。3数值计算模型吊舱推动器螺旋桨的直径为0.22m，4叶，盘面比为0.59，毂径比0.29，侧斜角为35度，变螺距。椭球舱体的长度为1.667D,最大直径0.417D，支架高度为0.79D，弦长0.75D，厚度为0.15D，剖面形状为椭圆，D为螺旋桨直径.文中采用FORTRAN语言编制程序，计算出吊舱推动器表面的型值点，将原始的型值点数据转换为特定的格式数据，然后输入到与Fluent软件配套的前解决器Gambit软件，进行实体几何建模。在建模过程中使用的是直角坐标系O-XYZ，X轴方向代表来流方向，它沿着螺旋桨的旋转轴指向下游，Y轴与螺旋桨的某一桨叶的叶面参考线一致，Z轴服从右手定则。如图2，图3所示 图2 podded propulsor三维模型 图3吊舱及控制域域的体网格生成建立好吊舱推动器的三维模型后，还要在螺旋桨的四周建立一个小的控制域以及整个吊舱的外部建立一个大的控制域，这样便于在划分网格时进行局部加密，提高计算结果的准确度。大域的直径约为螺旋桨直径的5倍，长度约为整个吊舱推动器的5倍。在舱体表面和控制域内布置网格，并且设立边界条件，边界条件的设立涉及：速度入口，自由流出口，固壁边界等，具体的条件还可以在FLUENT中计算时根据需要进行具体的设立。本为划分的网格数目为2337538。4 数值计算结果4.1 定常水动力性能计算结果在FLUENT中运用多参考系方法，结合RNG湍流模型，进速系数分别取为0.2，0.3，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，0.95，1.0，螺旋桨转速为一定值，=600rpm，计算了敞水拖式吊舱推动器的性征曲线，并且于实验值做比较，如图4所示：图4拖式吊舱推动器性能理论值与实验值的比较计算值与实验值的比较如图4所示，转矩系数的计算结果与实验结果基本上一致，只是在斜率上稍有偏差；而推力系数在J=0.8,0.95的情况下两者基本重合，实验得到的效率曲线要率高于计算值。总的来说吻合良好，验证了该计算方法的可靠性.吊舱表面的压力分布如图5所示图5 J=0.4时吊舱推动器表面的的压力分布从图5中可以看出螺旋桨桨叶边沿处的压力较小，总的来说桨叶表面的压力分布比较均匀，在吊舱支架的前端与舱体的交界处存在一个高压区，所以支架与舱体的连接处应当使其尽量光滑避免尖点。4.2 非定常水动力性能计算结果在FLUENT中使用Moving Mesh的方法假定流动是不稳定的，模拟出来的流场就是实际的流场，因此可以求解吊舱推动器的非定常水动力性能。如图610所示。 图6螺旋桨在X方向的推力随旋转角度变化 图7吊舱在X方向的推力随旋转角度变化 图8吊舱推动器在X方向的推力随旋转角度变化 图9螺旋桨在X方向的转矩随旋转角度变化 图10 螺旋桨在Y方向的转矩随旋转角度变化 图11 桨盘处的轴向速度分布图以上图示均为进速系数J=0.4时，吊舱推动器的的推力，转矩随旋转角度的变化规律。由图7，图8可以看出在螺旋桨工作的过程中其推力在73N附近呈四周期振荡，每当螺旋桨旋转90度就会出现一个推力的高峰值，本文计算的四叶桨最高值可达73.85N，最小值约为73.45N；吊舱在X方向产生的推力约为螺旋桨的十分之一，最高值可达7.83 N，最小值为7.77N,也呈四周期分布，但两者方向相反。所以整个吊舱推动器的推力范围为65.65N66N。由图9，图10可以看出螺旋桨在X和Y方向上的转矩分布，并且X方向上的转矩约为Y方向上转矩的100倍，并且两者方向相反。 图12桨盘处的切向速度分布图 图13 桨盘处的径向速度分布图图11，图12为桨盘处的轴向，切向速度分布，可以看到在支架的正前端存在一个轴向和切向速度的高峰区，当离开高峰区的位置两者渐渐趋于平缓。图13为桨盘处的径向速度分布，从图中可以看到在螺旋桨工作时其切向速度不存在高峰区，维持在一个较平均的数值范围内。5 结论论文通过CFD方法研究了吊舱推动器的定常及非定常水动力性能，本文采用的多参考系方法可以准确求解吊舱推动器的性能曲线，并且于实验值符合良好。螺旋桨的推力与吊舱的推力方向相反，推力及转矩均呈4 周期分布，即以一倍叶频为主；在吊舱支架前端与舱体相交处存在一个高压力区，并且轴向和切向速度在支架正前方存在一个高峰区，径向速度螺旋桨盘面处维持一个较稳定的值。参考文献：1 冀路明，徐定海，陈新刚.发展综合全电力推动技术是现代舰船发展的客观规定J.船舶,2023.(2):53-55.2 王长林,电力推动和动力定位全面提高船舶的性能J.机电设备, 2023.(1):5-16.3 杨晨俊，钱正芳,马骋. 吊舱对螺旋桨水动力性能的影响J. 上海交通大学学报, 2023,38(8):1229-12334 陈飞笑，杨晨俊.拖式吊舱螺旋桨定常性能理论计算J.水动力学研究与进展,A辑,2023,18(4):515-520 5Lobachev M P, Chicherin I A. 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