基于多參考系和滑移網(wǎng)格模型的吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能研究

1、基于多參考系和滑移網(wǎng)格模型的吊艙推進(jìn)器水基于多參考系和滑移網(wǎng)格模型的吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能研究動(dòng)力性能研究闖振菊1黃勝1胡健1，解學(xué)參1（1哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院，黑龍江省哈爾濱市150001）摘要摘要：利用CFD軟件，結(jié)合多參考系方法和滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)粘性流場中某型拖式吊艙推進(jìn)器的定常及非定常水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，得到了吊艙推進(jìn)器的敞水性征曲線，以及隨著進(jìn)速系數(shù)的變化吊艙推進(jìn)器在XYZ三個(gè)方向上推力和轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。在數(shù)學(xué)的建模過程中

2、，利用FTRAN語言編制了計(jì)算吊艙推進(jìn)器型值點(diǎn)的程序，然后把計(jì)算值導(dǎo)入FLUENT的前處理器GAMBIT建立了光滑的三維計(jì)算模型。文中給出了吊艙推進(jìn)器表面的壓力分布圖，以及槳盤面處的軸向，徑向和切向的速度分布圖。計(jì)算結(jié)果表明，螺旋槳的推力及轉(zhuǎn)矩呈周期性振蕩變化，并且振蕩的頻率以一倍葉頻為主，在支架的正前端存在一個(gè)軸向和切向速度的高峰區(qū)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:吊艙推進(jìn)器，CFD，多參考系模型，滑移網(wǎng)格模型，水動(dòng)力性能Abstract:UseCFD

3、methodcombinedwithMRFMovingMeshtechnologytodosomeresearchonthepoddedpropeller’shydrodynamicperfmanceintheviscousflowfield.ObtaineditsacteristiccurvetheregularityofthefcemomentinXYZdirections.Thenodesofpoddedpropellerwere

4、calculatedbyFTRANprogramwhichwerefittedthroughNUMBSmethodinGAMBITsoastoestablishthecalculatingmodel.Thispapershowedthepressuredistributiononthebladestheaxialradialtangentialvelocityonthesurfaceoftheblade.Theresultsshowed

5、thatthefcemomentofthepoddedpropellervibratesperiodicallythereisahighaxialtangentialvelocityzonebefethepod.KeyWds:poddedpropellerCFDMRFMovingMeshhydrodynamicperfmance1引言吊艙式推進(jìn)器是近年來發(fā)展起來的一種新型的船舶推進(jìn)系統(tǒng)，是目前船舶推進(jìn)系統(tǒng)研究開發(fā)領(lǐng)域引人矚目的焦點(diǎn)。PO

6、D推進(jìn)器主要由支架、吊艙和螺旋槳等部件構(gòu)成。其中，吊艙通過支架懸掛在船體下面，艙體內(nèi)置電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)艙體前端和（或）后端的螺旋槳。其設(shè)計(jì)思想的革命性在于，它把螺旋槳驅(qū)動(dòng)電機(jī)置于一個(gè)能360o回轉(zhuǎn)的吊艙內(nèi)，懸掛在船下，集推進(jìn)裝置和操舵裝置于一體，省去了通常所使用的推進(jìn)器軸系和舵。POD推進(jìn)器將推進(jìn)系統(tǒng)置于船外，可以節(jié)省船體內(nèi)大量的空間，從而極大地增加了船舶設(shè)計(jì)、建造和使用的靈活性。目前國內(nèi)在吊艙推進(jìn)器方面主要關(guān)注其水動(dòng)力性能，目前研究水動(dòng)力

7、性能主要有兩種方法：勢流方法和粘性流方法。勢流方法的基本假設(shè)是把水看成一種無旋、無粘的理想流體，不考慮水的粘性作用，同時(shí)不考慮流體分離。粘性流方法相對(duì)于勢流理論在上述方面有一定的優(yōu)越性，可以近似的模擬流場的真實(shí)流動(dòng)。鑒于此文章用選擇CFD方法來計(jì)算吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能。2CFD方法的基本理論2.1多參考系模型（MRF）的基本理論MRF模型是旋轉(zhuǎn)單元體的穩(wěn)態(tài)近似。它求解出來的流場是一個(gè)充分發(fā)展的流場，這個(gè)流場再以一定的速度運(yùn)動(dòng)就可以得到

8、實(shí)際的流場，多參考系模型方法是近似的，當(dāng)螺旋槳和艙體之間相互作用相對(duì)較弱時(shí)可以使用MRF模型求解吊艙推進(jìn)器的定常水動(dòng)力性能。2.1.12.1.1連續(xù)性方程連續(xù)性方程旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的連續(xù)性方程表示為:計(jì)算交界面兩側(cè)的通量，并使其相等。為了計(jì)算交界面的通量，首先在每一新的時(shí)間步確定出交界面兩邊交界區(qū)的重合面?；旧希ㄟ^網(wǎng)格重合面的通量，是由交界面兩邊交界區(qū)的重合面計(jì)算，而不是用整個(gè)交界面計(jì)算。非定常流動(dòng)計(jì)算中，在流體機(jī)械的旋轉(zhuǎn)部件出口與固定

9、部件進(jìn)口間形成網(wǎng)格滑移的交界面。當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子的交互作用應(yīng)用實(shí)時(shí)解法(而不是時(shí)均解法)時(shí)，必須用滑動(dòng)網(wǎng)格模型計(jì)算非穩(wěn)態(tài)流場。3數(shù)值計(jì)算模型吊艙推進(jìn)器螺旋槳的直徑為0.22m，4葉，盤面比為0.59，轂徑比0.29，側(cè)斜角為35度，變螺距。橢球艙體的長度為1.667D最大直徑0.417D，支架高度為0.79D，弦長0.75D，厚度為0.15D，剖面形狀為橢圓，D為螺旋槳直徑.文中采用FTRAN語言編制程序，計(jì)算出吊艙推進(jìn)器表面的型值點(diǎn)，將原

10、始的型值點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為特定的格式數(shù)據(jù)，然后輸入到與Fluent軟件配套的前處理器Gambit軟件，進(jìn)行實(shí)體幾何建模。在建模過程中使用的是直角坐標(biāo)系OXYZ，X軸方向代表來流方向，它沿著螺旋槳的旋轉(zhuǎn)軸指向下游，Y軸與螺旋槳的某一槳葉的葉面參考線一致，Z軸服從右手定則。如圖2，圖3所示圖2poddedpropuls三維模型圖3吊艙及控制域域的體網(wǎng)格生成建立好吊艙推進(jìn)器的三維模型后，還要在螺旋槳的四周建立一個(gè)小的控制域以及整個(gè)吊艙的外部建立一個(gè)

11、大的控制域，這樣便于在劃分網(wǎng)格時(shí)進(jìn)行局部加密，提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確度。大域的直徑約為螺旋槳直徑的5倍，長度約為整個(gè)吊艙推進(jìn)器的5倍。在艙體表面和控制域內(nèi)布置網(wǎng)格，并且設(shè)置邊界條件，邊界條件的設(shè)置包括：速度入口，自由流出口，固壁邊界等，具體的條件還可以在FLUENT中計(jì)算時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)置。本為劃分的網(wǎng)格數(shù)目為2337538。4數(shù)值計(jì)算結(jié)果4.1定常水動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果在FLUENT中利用多參考系方法，結(jié)合RNG湍流模型，進(jìn)速系數(shù)分別取