低进速系数下螺旋桨后无限大平板受力数值计算

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2、进速系数(0.01)下螺旋桨正下游一无限大平板的受力进行数值计算.考察了桨板间距对平板上受力和桨推力的影响以及同一桨板间距下不同进速系数对平板受力的影响,发现了低进速系数下螺旋桨周围的一些流动特征.关键词:船舶,舰船工程;低进速系数;平板受力;数值计算中图分类号:U661.313文献标识码:A0引言目前,船舶向着大型化,高功率发展,导致螺旋桨的载荷加重,因此可以采用导管螺旋桨来提高推进效率,减小振动.本文的工作是针对某自航起重船上用来进行动力定位和自航推进的全回转导管螺旋桨的.当全回转螺旋桨(后文也简称桨)绕垂直于水平面的轴旋转90.后,中纵剖面上的呆木处于桨的正下

3、游时,桨前方的来流速度很低,进速系数几近于0.本文用一无限大的平板代替呆木,主要考察这种低进速系数(O.01)情况下,桨板间距对板上受力Q的影响;也考察桨后尾流受板的阻挡,对桨的推力F有何影响.本文模拟的物理状态与实际的桨/呆木干扰有一定的差距,但计算结果为真实模拟桨/呆木干扰提供了基础.通过本文的工作,期望对低进速系数下全回转螺旋桨与呆木间的相互作用有初步认识,并为该自航起重船确定桨和呆木间距这一设计参数提供参考.本文(桨/板干扰)是在中国船舶及海洋工程设计研究院近期开展的桨/船干扰,桨/舵干扰,吊舱推进器水动力性能研究(桨/吊舱干扰)等数值计算工作基础上进行的]

4、.根据客户要求,目前的研究工作,暂不考虑导管,仅针对裸桨.研究对象为MAU型四叶桨,直径J[)为3.8m,螺距比为0.816,盘面比为0.564,转速为2.5r/s.1数值处理方法【9】1.1计算区域与网格划分板处于桨的正下游,并与桨轴垂直.由于流动的周向对称性,取计算区域为圆柱形,直径为8D.重点对三个桨板间距进行了计算,后又增算了三个间距来提高对流动现象的认识.桨板间距如表l所示.收稿日期:2007.08—16;修改稿收稿日期:2008.04.175O卷第2期(总第186期)吴琼,等:低进速系数下螺旋桨后无限大平板受力数值计算表1桨板间距来流入口设在桨的上游1.

5、7D处.由于桨作匀速转动,且几何形状具有周向对称性,故计算区域取为1/4圆柱体,板相应为90.的扇形面.为了减少网格不同对计算结果的影响,将计算区域沿轴向分为若干块,后一种桨板间距的计算网格仅仅只是在前一种桨板间距的计算网格基础上嵌入一块,予以加长.其中,对不同的桨板间距,螺旋桨所处的区域,即图1中的网格块Fluidl(桨上游),Fluid2(桨下游)保持不变;紧靠板面的边界层网格也保持不变.网格块Fluidl,Fluid2内采用四面体网格,其他的各块内均采用六面体网格.Z图1计算区域1.2计算模型对于固定不变的桨转速,在随动坐标系中处理这一计算问题,则桨不动,流动

6、为定常.先固定取进速系数为J=0.001,桨转速为2.5r/s,入口处来流速度相应为一0.0095m/s,板相对桨的转速为.2.5r/s.z轴与桨轴一致,指向桨的上游,计算坐标系满足右手法则,坐标原点在桨参考点处.边界条件见表2,其中圆柱侧面上采用压力出口条件,是为了在低进速系数下保证区域内流量平衡.按入口条件使流场初始化.紊流模式为sst-kco.中国造船学术论文表2边界条件入口平面(圆柱顶面)速度进口周期性边界面(两个子午面,相夹90.)圆柱侧面桨叶面桨轴,毂面平板(圆柱底面)周期压力出口壁面壁面壁面(旋转)2计算结果及分析由计算结果可知,桨轴下游(z.2.0m

7、)流动已大体具有周向均匀特性;对每一种桨板间距,板上的压力都呈同心圆分布,即板上压力沿周向均匀不变,并且在半径r>5m区域,压力值都几乎为零(见图2).因此可以选用计算区域里的一个子午面的某部分来分析区域内的流动.图3中ABCDE为圆柱体中的一个子午面,线段CD为子午面与板的交线,位于扇形面的角平分线上.图4所示Q面为子午面上的一个局部区域,其r<5m(≈2.6R,R为桨半径),对计算结果的分析将集中关注Q上的流动状态,并考察子午面与板的交线n上的压力和速度等物理量沿径向的变化,以了解板上的相关物理量的分布情况.2.1Q上的压力分布和流线分布(进速系