螺旋桨粘性流场的数值模拟.pdf

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1、第39卷第3期2010年6月船海工程SHIP&OCEANENGINEERINGVOL39No．3Jun．2010130I：10．3963／j．issn．1671—7953．2010．03．011螺旋桨粘性流场的数值模拟靳伟1。王化明2(1．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室，上海200240；2．浙江海洋学院船舶与建筑工程学院，浙江舟山316004)摘要：对商业软件FLUENT提供的三种肛￡湍流模型进行KP505桨敞水时三个典型进速系数下的流场进行计算。选定一种湍流模型进行多个进速系数下的敞水性能计算，并把计算得到的结果与实验数

2、据比较，吻合良好，并对螺旋桨敞水时三个典型：r-况进行研究，分析他们的流场特征。关键词：数值模拟；湍流模型；螺旋桨敞水性能；计算流体力学；FLUENT中图分类号：U664．33文献标志码：A文章编号：1671—7953(2010)03—0044—04船舶螺旋桨水动力性能的研究方法主要有升力线、升力面、面元法和RANS方法等。升力线方法简单，但求解的精度不够高。升力面理论在20世纪80年代已经成熟，在推进器设计和性能预报方面起了重要作用。但他是建立在薄翼理论的基础之上，在计算桨叶剖面压力分布，特别是在导边附近压力的分布时会有较大的误差。面元法是一种奇点

3、分布法，将奇点分布在螺旋桨物面和尾涡面上，通过求解边值问题而得到螺旋桨的水动力特性，他在预报压力分布方面比升力面方法要好。升力线、升力面和面元法都是基于势流理论，在应用时要有一定的粘性修正[1]。随着计算流体力学(CFD)方法的发展，求解RANS方程的商业软件相继出现并不断完善，在粘性流计算中被越来越多地使用。本文利用(期软件FI，I踟对KP505桨进行敞水计算。该桨是2000年哥德堡船舶CFD会议提供的用作CFD计算时的参考桨。1螺旋桨几何模型、网格及基本设置对于理论设计的螺旋桨，如以NACA翼型为剖面的螺旋桨来说，常以内弦(鼻尾线)为弦线，弦长和

4、螺距也根据所取弦线来定义[2]。桨叶各个半径r处坐标的表达式为[3]：z(r)一岛(r)+C(r)(s—O．5)sin驴(r)一44收稿日期：2009—05—26修回日期：2009—08—10作者简介：靳伟(1983一)，男，硕士生。研究方向：计算船舶流体力学。E-mail：jinweizy001@yahoo．corfLcnf’(s)cOs驴(r)(1)口(，．)=如(r)+C(r)(s—O．5)堡鎏丛型+rF(5)堕!丛型(2)ry(r)=rcos0(r)(3)z(r)=rsinO(r)(4)式中：z。(r)——弦线中点在轴向的投射距离；C(，．)

5、——弦长；s——无量纲量的弦长，在导边为0，随边为1；F(s)——s处切面上、下交点到弦线的距离；如(r)——侧斜角；D妒(r)——螺距角，tan60(r)一丧。厶兀，其中：P——螺距。KP505桨是一个5叶的变螺距右旋模型桨，直径为0．25m。叶剖面形状为NACA66+口一0．8的拱弧线，毂径比为0．18。根据式(1)～(4)可以得到螺旋桨的几何模型，见图l。图2为螺旋桨的计算区域。桨叶所在的区域由于是中心对称且周期性重复的，因此利用FLUENT中提供的单参考系(singlereferenceframe，SRF)模型，并采用旋转周期性边界条件，可以

6、仅对一个流道、一片桨叶进行建模、计算。一对周期性边界条件之间所夹的区域只要是包含一片桨叶的1／5圆柱体即可。在这种情况下，螺旋桨周期性地在计算区域内旋转，相对于惯性系而言，流动是非定常的，但在不考虑相对于惯性系静止的部件影响时，可以取与螺旋桨一起运动的一个计算区域，那么相对于这个旋转参考系而言，流动就是定常的，这就简化了计算。第3期船海工程第39卷图1桨的几何形状图2计算区域及边界上游速度人口在2D(D为螺旋桨直径)以外，远场在2．5D以外，出口位置在桨盘面下游4D以外。侧面为旋转周期性边界条件，他们之间的夹角为72。。为了保证桨叶附近的网格质量，把

7、Gambit和TGrid相结合来生成网格。首先用Gambit完成建模，然后在计算区域的边界面上，即人口、出口、远场边界和周期性边界面以及螺旋桨、桨毂面上划分三角形网格；把生成的面网格文件导出来，再读入m捌d中，利用其生成边界层网格的功能，在桨叶表面外面生成等距离的三棱柱网格；其他区域直接在R试d中用四面体网格填充。叶面上的网格数目大于3．4万，叶背上的网格数目大于3．5万。整个区域网格数目为1412747，见图3、4。图3桨叶表面的网格图4计算区域上的网格设定螺旋桨的转速为9．5r／s，通过改变进口流速来改变进速系数．，，湍流度设置为1％，湍动粘度比

8、为l；出口边界给定充分发展的outflOW条件；远场设置与速度进口一致；螺旋桨和桨毂给定壁面无滑移条件。压力