cfd在舷外机螺旋桨性能分析中的应用研究

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1、个人收集整理仅供参考学习CFD在舷外机螺旋桨性能分析中地应用研究-机电论文CFD在舷外机螺旋桨性能分析中地应用研究蒋超吴湘荣陈天福（海军工程大学动力工程学院，湖北武汉430033）摘要：基于CFD软件，采用结构化网格和非结构化网格相结合地混合网格，对舷外机螺旋桨水动力性能进行了计算.数值计算结果与模型试验结果吻合良好，验证了数值计算地可行性.分析了舷外机支架对螺旋桨水动力性能地影响.关键词：CFD；舷外机；螺旋桨；敞水性能0引言舷外机是一种悬挂在船艉板上，推动舟、艇航行地可拆卸式推进装置，因其集

2、成度高、操作简单，广泛应用于短途运输船、游艇.舷外机一般采用结构简单、推进效率高地螺旋桨作为推进器.计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，CFD）能对推进器流场进行可视化模拟，减少模型试验成本，缩短产品开发周期，在推进器性能分析与优化设计中地应用越来越广泛［1］.我国地舷外机工业起步晚、发展慢，市场几乎全被欧美和日本公司占领.随着人民生活水平地提高，舷外机地应用越来越广泛，急需加大研究力度，做强民族品牌.本文将CFD技术运用于舷外机螺旋桨性能分析中，对国内某厂生产地

3、舷外机螺旋桨及其支架进行了几何建模、网格划分和数值计算，重点分析了舷外机支架地存在对螺旋桨效率地影响.9/9个人收集整理仅供参考学习1数值计算过程1.1几何建模本文研究地螺旋桨额定转速n=2700r/min，直径D=282mm，支架长度L=766mm，支架高度H=780mm，几何模型如图1所示.首先在UG软件中处理几何模型，提取单独地桨和支架模型，忽略支架上地次要因素，建立修改地支架几何模型如图2所示.9/9个人收集整理仅供参考学习进行螺旋桨水动力数值计算时，还需给定其所处地静止流体域（即外域）

4、，而螺旋桨附近设定为旋转流体域（即内域）.据以往经验，计算不含支架桨时，取外域为一圆柱形区域，来流方向长度为4D，尾流方向为6D，直径为5D，如图3（a）所示；内域也是一圆柱形区域，来流和尾流方向为0.2D，直径为1.2D，如图3（b）所示.计算含支架桨时，在外域与内域间增设一中间域，来流方向为1L，尾流方向为0.5L，支架左右两侧为0.7L，支架上部和下部为0.7H，如图4（a）所示；外域为一长方体区域，来流方向为4L，尾流方向为6L，支架左右两侧3L，支架上下部为3H，如图4（b）所示；内域

5、设定与不含支架桨相同.1.2网格划分将建好几何模型导入ICEMCFD软件中划分网格.内域结构复杂，用适应性好地四面体进行非结构化网格划分；外域结构规则，用精度高地六面体进行结构化网格划分［2］.不含支架桨，外域用六面体网格划分，设置节点数控制网格密度，生成网格如图3（a）所示，总节点数为125万；内域用四面体网格划分，最大网格尺寸全局为5mm，桨叶为1mm，交界面为3mm，总节点数为169万，如图3（b）所示.含支架桨，内域采用不含支架桨内域网格，中间域采用四面体网格划分，外域采用六面体网格划分

6、，生成网格如图4所示，总节点数为223万和198万.1.3边界条件设置9/9个人收集整理仅供参考学习网格划分好后导入CFX软件中设置边界条件，将螺旋桨来流方向地进口设为速度进口，给定进流速度值V；出口设为压力出口，给定相对压力为0；固体壁面设为无滑移壁面；旋转水域以螺旋桨转速绕轴旋转；湍流模型选SST模型.各计算域间通过设定交界面完成数据交换，旋转计算域与静止计算域间地动静耦合通过设定FrozenRotor型交界面，采用GGI技术实现数据耦合.2数值计算结果与分析通过固定转速改变进流速度来模拟螺

7、旋桨不同进速系数J地工况，利用CFX软件对J=0.8～1.3地工况进行计算，得到桨地推力T与转矩Q.再分别按公式求取推力系数Kt、10倍转矩系数10Kq和推进效率η，其中ρ为水密度，n为桨转速，D为桨直径.不含支架桨模型试验与数值计算结果对比如表1所示，绘制成螺旋桨敞水性能曲线图如图5所示.不含支架桨与含支架桨数值计算结果对比如表2所示，绘制成螺旋桨敞水性能曲线图如图6所示.9/9个人收集整理仅供参考学习其中，Kt0、10Kq0、η0为不含支架螺旋桨模型试验值，Kt1、10Kq1、η1为不含支架

8、螺旋桨数值计算值，Kt2、10Kq2、η2为含支架螺旋桨数值计算值.从图5可看出，对不含支架桨地数值模拟与模型试验所得敞水性能曲线图总体吻合良好.从表1地定量分析更可看出在J=0.8～1.3地范围内，推力系数计算误差小于4%，转矩系数计算误差小于2%，效率计算误差小于5%，皆在工程可接受误差范围内，验证了将CFD运用于舷外机螺旋桨水动力性能分析地可信性，同时也验证了本文所采用地计算域建模、网格划分及湍流模型选取地可行性.9/9个人收集整理仅供参考学习基于此，分析桨前支架对桨水动力性能地影响.从图