螺距角和纵倾角对全方向推进器水动力性能的影响.pdf

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1、第39卷第2期2010年4月船海工程SHIP＆OCEANENGINEERINGV01．39No．2Apr．2010DOI：10．3963／j．issn．1671—7953．2010．02．007螺距角和纵倾角对全方向推进器水动力性能的影响常欣1一，邹经湘1，郭春雨2，黄胜2(i．哈尔滨工业大学力学博士后流动站．哈尔滨150001；2．哈尔滨工程大学船舶工程学院。哈尔滨150001)摘要：为选择全方向推进器的设计参数，运用CFD软件预报全方向推进器非定常水动力性能的方法，根据全方向推进器的工作原理建立仿真计算模型并进行网格划

2、分。给出了计算结果。分析表明，周期螺距角和纵倾角决定了全方向推进器所能产生的横向力的大小，而整体螺距角则对全方向推进器的轴向水动力性能起决定性作用。关键词：全方向推进器；整体螺距角；周期螺距角；纵倾角中图分类号：U664．33文献标志码：A文章编号：1671—7953(2010)02一0026一04全方向推进器是一种新型的推进操纵装置，桨叶在旋转的过程中螺距角可以周期性变化[I]，不仅能产生常规螺旋桨的纵向推力，还能根据需要产生横向或垂向推力乜j。传统上是由多个槽道推进器来实现上述功能的，显然全方向推进器更有利于潜器的总布

3、置，小型化和轻量化[3]。叶片螺距角和纵倾角对全方向推进器的水动力性能影响非常大。叶片螺距角由周期螺距角和整体螺距角组成。周期螺距角是叶片螺距角的变化幅度，是全方向推进器可以产生侧向力的根本原因；整体螺距角反映了螺旋桨的初始状态，决定了全方向推进器轴向推力的大小。纵倾角对全方向推进器的轴向力和侧向力都有很大影响L4]。因此，在针对全方向推进器进行设计时周期螺距角、整体螺距角和纵倾角的选取十分重要。基于Fluent软件求解全方向推进器非定常水动力性能，在此基础上，研究螺距角和纵倾角对全方向推进器非定常水动力性能的影响。1控制

4、方程不可压缩牛顿流体的运动满足连续性方程和26收稿日期：2009—08—10修回日期：2009—1㈨8基金项目：国家自然科学基金(10702016)；哈尔滨工业大学博士后基金。作者简介：常欣(1978一)，男，博士，副教授。研究方向：船舶推进性能与节能。E-mail．changxin@hrbeu．edu．cn动量方程守恒方程：．D些：0lD瓦一P蠹c州j，一一蠹+P矗[秒(券+蠹)卜蠹(一lD谒)(2)式中：U，、撕——时间平均的速度分量，i、J一1，2，3；r时间平均的压力；广密度。2湍流模式所有计算均采用RNGk-e湍

5、流模式，其湍动能k与耗散率￡方程如下：lD鬈一熹k鲋菘8k]+P—p(3)lD瓦一面la班鲋瓦J十r—pq，P甓一去b鲋麦]+c。专P一％譬c4，』D瓦一瓦【-唧鲋瓦J十Llei尸一L印i¨)式中：r密度；P——湍动能产生；卢eff——湍动粘性系数；口t、口c——湍动能k与耗散率￡的有效湍流普朗特数的倒数；C¨Q——常量。湍流粘性系数计算公式为：d(等)=1·7赫d(抄)式中：G——常数5螺距角和纵倾角对全方向推进器水动力性能的影响——常欣。邹经湘，郭春雨，黄胜f一湍流粘性系数。动量方程采用二阶迎风格式离散，压力方程采用P

6、resto!格式离散。3模型的建立3．1模型参数的选取全方向推进器的主要参量选取见表1。表1全方向推进器主要参量参量直径／m叶数整体螺距角／(。)周期螺距角／(。)纵倾角／(。)毂径比转速／(r·min_1)位置角／(。)3．2螺距角变化规律叶片螺距角的变化规律采用正弦规律，即：伟(f)一舢+邸psin(目一岛)(6)O=2x-nt(7)式中：岛(￡)——￡时刻叶片螺距角；卜t时刻的叶片位置角；鼬——￡一O时的叶片螺距角，即整体螺距角；良——￡一0时的叶片位置角；△彩——周期螺距角；，r转速。螺距角的变化规律通过加载UDF

7、来实现。3．3全方向推进器的仿真模型建立根据全方向推进器的工作原理建立全方向推进器仿真计算模型，见图1。转动轴经过圆盘的中心。桨叶采用结构化四边形网格，桨毂采用三角形非结构网格。计算域范围为：上游段取在桨叶前2．5D(D为桨直径)处，下游段为桨叶后8D处，外围远场为4D，网格采用结构与非结构混合网格，网格总数为28万。网格划分见图2。图2全方向推进器网格划分3．4边界条件来流的人口设为速度入口边界；去流出口设为自由出流边界；全方向推进器表面设为壁面边图1全方向推进器计算模型界，外域边界面设也为壁面边界；4个控制域的3由于桨

8、叶围绕自身轴自转，因此计算模型的对交界面设为交界面。羹圣苎翌翼氅翌2兰鬯譬!慧黧曼黧曼恐4数值计算结果及分析需要针对每个桨叶建立控制域以控制桨叶的自⋯。一⋯”⋯”⋯’⋯转。桨叶与桨毂的连接边缘是一个圆盘，桨叶的为了验证计算方法的正确性，对日本田村兼27一瑚∞艏黼一吣4一～一叭啪∞一n瓦队第2期船海工程第