基于多参考和滑移网格模型的吊舱推进器水动力性能研究

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：利用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进器的定常及非定常水动力性能进行了研究，得到了吊舱推进器的敞水性征曲线，以及随着进速系数的变化吊舱推进器在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，利用FORTRAN语言编制了计算吊舱推进器型值点的程序，然后把计算值导入FLUENT的前处理器GAMBIT建立了光滑的三维计算模型。文中给出了吊舱推进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。计算结果表明，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:吊舱推进器，CFD，多参考系模型，滑移网格模型，水动力性能Abstract:UseCFDmethodandcombinedwithMRFandMovingMeshtechnologytodosomeresearchonthepoddedpropeller’shydrodynamicperformanceintheviscousflowfield.ObtaineditscharacteristiccurveandtheregularityoftheforceandmomentinX,Y,Zdirections.ThenodesofpoddedpropellerwerecalculatedbyFORTRANprogram,whichwerefittedthroughNUMBSmethodinGAMBITsoastoestablishthecalculatingmodel.Thispapershowedthepressuredistributionontheblades,andtheaxial,radialandtangentialvelocityonthesurfaceoftheblade.Theresultsshowedthattheforceandmomentofthepoddedpropellervibratesperiodically,andthereisahighaxialandtangentialvelocityzonebeforethepod.KeyWords:poddedpropeller,CFD,MRF,MovingMesh,hydrodynamicperformance1引言吊舱式推进器是近年来发展起来的一种新型的船舶推进系统，是目前船舶推进系统研究开发领域引人瞩目的焦点。POD推进器主要由支架、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，集推进装置和操舵装置于一体，省去了通常所使用的推进器轴系和舵。POD推进器将推进系统置于船外，可以节省船体内大量的空间，从而极大地增加了船舶设计、建造和使用的灵活性。目前国内在吊舱推进器方面主要关注其水动力性能，目前研究水动力性能主要有两种方法：势流方法和粘性流方法。势流方法的基本假设是把水看成一种无旋、无粘的理想流体，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方法来计算吊舱推进器的水动力性能。2CFD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分发展的流场，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相互作用相对较弱时可以使用MRF模型求解吊舱推进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示为:(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（MovingMesh）的基本理论滑移网格模型可使在交界面两侧的网格相互滑动，而不要求交界面两侧的网格结点相互重合。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，首先在每一新的时间步确定出交界面两边交图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吊舱推进器在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，吊舱推进器的的推力，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7.83N，最小值为7.77N,也呈四周期分布，但二者方向相反。所以整个吊舱推进器的推力范围为65.65N～66N。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，并且二者方向相反。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二者渐渐趋于平缓。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方法研究了吊舱推进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进器的性能曲线，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.发展综合全电力推进技术是现代舰船发展的客观要求[J].船舶,2002.(2):53-55.[2]王长林,电力推进和动力定位全面提高船舶的性能[J].机电设备,2002.(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,2003,38(8):1229-1233[4]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,2003,18(4):515-520[5] LobachevMP,ChicherinIA.Thefull-scaleresistanceestimationforpoddedpropulsionsystembyRANSmethod[A].ProceedingsoftheInternationalSymposiumonShipPropulsion[C].StPetersburg,[6] ChicherinIA,LobachevMP,PustoshnyAV,etal.OnapropulsionpredictionprocedureforshipswithpoddedpropulsorsusingRANS-codeanalysis