万方数据
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第５期黄胜，等：不同湍流模型在螺旋桨水动力性能计算中的应用与比较
?４８３?
来一直认为在高雷诺数下，小尺度涡团结构趋于各向同性，因而可以忽略各向异性的耗散，即认为湍流的切应力耗散趋于零，而粘性作用只引起湍流正应力即湍能的耗散．这样耗散张量占就可以化为标量形式，即
勖＝詈ｐｓ６矿
（８）
目前最为广泛采用的占模型为
警＋壶（ｐＵｋ占）－唧ｏ＾（Ｊｚ＿ｃ，卿，９８。）一
ｃ。。争啊警一ｃ棚｝２．
（９）
式中，右端分别为扩散项、产生项、耗散项．系数为：Ｃ。１＝１．４４，Ｃ以＝１．９２，Ｃ胡＝一ｌ，Ｃ。＝１．３３．
与双方程ｋ一占模型比较，雷诺应力方程湍能的模拟不需要任何输运方程求解，而是通过雷诺应力得到：ｋ＝１／２?“’ｉｎ７Ｐ
３
计算模型的建立
３．１
几何模型与计算域的创建
作为对比计算所选用的模型是ＤＴＭＢＰ４１１９螺旋桨，其尺寸如表ｌ所示，数据取自文献［７Ｊ．
表１
ＤＴＭＢＰ４１１９螺旋桨的几何参数Ｔａｂｌｅ１
Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆ
ＤＴＭＢＰ４１ｌ９ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ
几何参数Ｄ’ＦＭＢＰ４１１９
直径／ｍ叶数螺距比（０．７Ｒ）
毂径比纵倾角／（。）侧斜角／（。）叶剖面
０．３０５３１．０８４Ｏ．２ＯＯ
ＮＡＣＡ６６ｍｏｄ
３．２
网格的划分
网格划分是ＣＦＤ模拟过程中较为耗时的环节，也是直接影响模拟精度和效率的关键因素之一．高质餐的网格是实现数值模拟成功的首要条件．过疏或过密的网格都会极大影响计算结果．过疏的网格往往会得到不精确甚至完全错误的结果；过密的网
格会使计算量增大，使计算难以收敛．文中在划分网
格时使用了局部加密的方法，对于桨叶与桨毂连接处以及叶梢部分等）进行加密，以便捕捉到重要的流场信息；而对于出口段ｆｌｕｉｄ２的网格，将其密度适当降低，便于控制总网格数．这样，在网格模型总节点数一定的情况下可以提高计算精度，还可以避免流场变化平缓区域的计算资源浪费．螺旋桨桨叶表面网格划分如图２所示．
图１
螺旋桨及整个流域ｉ维图
Ｆｉｇ．１
Ｔｈｅｔｈｒｅｅｄｉｍｅｎｓｉｏｎｃｈａｒｔｏｆｐｒｏｐｅｌｌｅｒａｎｄｆｕｌｌｆｌｏｗｆｉｅｌｄ
堡中使用的是寡璺坐复委？－…ＸＹ．Ｚ．ｊｘ轴方向岱誊奎３．３
边界条件的设置
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给出了螺旋桨计算流域的三维
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万方数据
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不同湍流模型在螺旋桨水动力性能计算中的应用与比较
作者：黄胜， 王超， 王诗洋， HUANG Sheng， WANG Chao， WANG Shi-yang
作者单位：哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江,哈尔滨,150001
刊名：
哈尔滨工程大学学报
英文刊名：JOURNAL OF HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY
年，卷(期)：2009，30(5)
被引用次数：1次
参考文献(8条)
1.王福军计算流体动力学分析--CFD软件原理与应用 2004
2.龚吕.姚征.吴曼船舶反弯扭螺旋桨水力特性的数值模拟与分析[期刊论文]-上海理工大学学报 2007(01)
3.HUANG Sheng.ZHU Xiangyuang.GUO Chunyu CFD simulation of propeller and rudder performance when using additional thrust fins[期刊论文]-Journal of Marine Science and Application 2007(04)
4.王超.黄胜.解学参基于CFD方法的螺旋桨水动力性能预报[期刊论文]-海军工程大学学报 2008(04)
5.刘志华.熊鹰基于多块混合网格的RANS方法预报螺旋桨敞水性能的研究[期刊论文]-水动力学研究与进展a辑2007(04)
6.冯学梅.陈凤明使用FLUENT软件的螺旋桨敞水性能计算和考察[期刊论文]-船舶 2006(01)
7.苏玉民.黄胜船舶螺旋桨理论 2003
8.盛振邦.刘应中船舶原理 2004
相似文献(10条)
1.期刊论文马骋.钱正芳.张旭.杜度.MA Cheng.QIAN Zheng-fang.ZHANG Xu.DU Du螺旋桨-舵-舵球推进组合体水
动力性能的计算与仿真研究-船舶力学2005,9(5)
建立了螺旋桨-舵-舵球推进组合体水动力性能的计算机仿真系统.系统研究了螺旋桨-舵-舵球推进组合体水动力性能的计算方法,建立了相关的仿真数学模型.模型中螺旋桨的水动力性能采用升力面理论涡格法计算,桨毂的影响采用Hess-Smith面元法计算.将舵及舵球的诱导速度作为对桨及桨毂进流的修正,以考查舵及舵球的影响.舵与舵球水动力的计算采用以速度势定义的面元法.在此基础上,进行系统功能设计,编制了计算机仿真系统.应用此软件设计了四种舵球方案,并进行了相应方案螺旋桨的定常水动力性能的计算对比分析.仿真计算表明,设计的舵球方案可有效地提高螺旋桨的水动力性能.其中不对称型舵球方案在实船对比测试中获得了节能5.1%,提高主机功率储备5%以上的效果.
2.学位论文郭春雨螺旋桨与舵附推力鳍相互干扰水动力性能数值计算2006
本文采用面元法理论以及计算流体力学软件FLUENT对螺旋桨与舵附推力鳍组合体系统进行了理论计算。对影响推力鳍助推效率的主要参数进行了比较系统、全面的变尺度研究。本论文的主要内容包括以下几个方面：
采用面元法计算了三维舵的水动力性能。针对三维舵存在的端部梢涡及其尾涡卷起的现象，提出了一种新的考虑端部梢涡卷起的三维短翼理论计算模型。由端部及尾涡面上的运动学边界条件来确定端部梢涡及涡面卷曲形状。对各组不同展弦比敞水舵水动力性能进行了数值计算，并与试验结果进行了比较。
采用面元法理论计算定常与非定常螺旋桨水动力性能。在螺旋桨非定常水动力性能的计算中，船体对螺旋桨的影响以桨盘面处的非均匀伴流来模拟。计算结果与试验结果进行了比较，表明理论计算方法的可靠性。计算了螺旋桨在旋转一周过程中表面压力分布以及某一片桨叶的推力变化情况。
采用面元法计算了非均匀流中螺旋桨与舵附推力鳍的非定常干扰问题，计算了螺旋桨在旋转一周内推力鳍的助推效率的变化。分析了加装舵附推力鳍之后螺旋桨水动力性能的变化。分析了不同螺旋桨尾涡模型对舵附推力鳍水动力性能的影响。引入了特殊的剖面形状－鱼形鳍在推力鳍上进行计算。对影响推力鳍助推性能的几个主要参数进行了变尺度研究。
对于螺旋桨、舵附推力鳍组合体系统进行仿真计算。采用计算流体力学软件FLUENT计算某型螺旋桨不同进数系数下的推力系数、转矩系数、螺旋桨表面压力分布、速度分布以及桨后舵附推力鳍的推力效率变化情况等。计算了在舵的两侧加装不同数目的推力鳍之后螺旋桨．舵附推力鳍整个系统的推力效率的变化。计算了不同数目的推力鳍助推效率随着安装角的变化。
3.期刊论文王超.黄胜.解学参.WANG Chao.HUANG Sheng.XIE Xue-shen基于 CFD 方法的螺旋桨水动力性能预报-
海军工程大学学报2008,20(4)
运用计算流体力学软件对粘性流场中敞水螺旋桨的水动力性能进行了计算研究,模拟了某型螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数、螺旋桨表面压力分布以及螺旋桨后尾流场情况等.在数学建模的过程中,利用 FORTRAN 语言编制了计算螺旋桨型值点的程序,然后把计算值导入 Fluent 的前处理器 Gam-bit 进行建模,并采用样条曲线去拟合各个型值点,从而建立了光滑的三维螺旋桨表面外形.介绍了利用Fluent软件在螺旋桨敞水性能计算中的计算流程,以某一标准螺旋桨作为研究对象,给出了敞水性能曲线的计算结果,并与试验测量值作了比较.由对结果的比较分析可知,基于 CFD 方法可以形象、真实地获知螺旋桨表面的压力以及尾部流场的分布情况,并且数值仿真结果可以满足工程应用.
4.学位论文何海峰高阶面元法预报螺旋桨水动力性能2004
随着世界航运和计算流体动力学(Computational Fluod Dynamics)的不断发展,螺旋桨作为一种应用广泛的船舶推进装置也在不断发展中.采用理论计算方法设计螺旋桨具有更大的灵活性和适应性,同时,通过理论计算方法对螺旋桨的水动力性能进行准确的预报,对于避免不良设计所带来振动和噪声,进一步提高螺旋桨的效率有着重要的意义.因此,深入地研究如何准确地预报螺旋桨的水动力性能是非常重要的.面元法是在实际物面上满足物面边界条件,没有对螺旋桨的几何形状做任何假设,能更精确地描述螺旋桨的复杂几何形状,其数学模型更加完善.用面元法不仅可以准确地预报螺旋桨的推力和转矩,而且可以准确地预报螺旋桨表面的压力分布.就当前国内外螺旋桨的研究发展水平而言,面元法已经被许多研究机构用来解决螺旋桨性能和压力分布的预报问题.为了提高计算精度,加速非线性迭代的收敛性,面元法正沿着由低阶向高阶的方向发展.该文采用了一种基于B样条的高阶面元法预报螺旋桨的定
常水动力性能,不但用B样条表达螺旋桨表面的几何形状,而且还用其表示螺旋桨表面的偶极子分布,B样条的应用提高了螺旋桨的几何以及偶极子密度表达的精度.在这种基于B样条的面元法中,由于插值多项式涉及附近的几个单元,而不像一般的面元法只限制在一个单元内,因此物体表面是光滑的,速度势函数及其导数由于采用样条函数表达,在整个物体表面也是连续的.并且,基于B样条函数对于插值的准确性,较为粗糙的网格划分也能得到比较精确的结果,而且提高了计算效率.该文采用该方法计算了螺旋桨在定常条件下的推力、转矩和叶面压力分布,并与实验结果进行了比较和分析,其结果比较令人满意.该论文的研究为高阶面元法预报螺旋桨的水动力性能打下了一定的基础,对进一步提高面元法预报的精度具有一定的实用意义.
5.期刊论文胡健.马骋.黄胜.钱正芳.陈科.Hu Jian.Ma Cheng.Huang Sheng.Qian Zhengfang.Chen ke导管对螺旋
桨水动力性能的影响-武汉理工大学学报（交通科学与工程版）2009,33(5)
以面元法为数值计算方法,采用双曲面元以消除面元间的缝隙.分别计算螺旋桨和导管,二者之间的影响通过迭代方法加以考虑.螺旋桨对导管的诱导速度在导管表面周向平均,导管对螺旋桨的诱导速度在螺旋桨盘面处周向平均,从而使导管周围和螺旋桨周围的非定常流动简化为定常流动.廊用该方法编制了程序,计算了导管桨的水动力性能,进一步研究了导管的大小、形状、位置等冈素对螺旋桨的水动力性能、表面压力分布、叶片环量分布等的影响.
6.学位论文单铁兵四桨两舵船舶螺旋桨不同工况下水动力性能及船体操纵性研究2008
近年来，各国都积极投入对操纵运动船舶水动力性能的研究，目的在于不断提高船舶操纵性预报的准确性，实现真正意义上的对船舶运动的仿真模拟。船舶的水动力性能研究计算对准确预报船舶的操纵性能起着至关重要的作用。
本文运用CFD软件计算了螺旋桨的敞水性能，得出了不同进速系数下螺旋桨的推力系数KT，扭矩系数KQ，并与试验值进行对比。结果表明CFD计算敞水螺旋桨的水动力性能是可行的。
分别利用FLUENT和卡耳玛科夫两种计算方法，计算了敞水中螺旋桨被锁定时的水动力性能。得出不同进速下螺旋桨锁定时的阻力分布以及横向力分布。运用刚体转动稳定性的原理，计算了敞水条件下螺旋桨自由旋转时的水动力性能。给出了不同进速下螺旋桨受到的阻力值以及临界转速。计算结果表明随着进速V的增大，自由旋转的螺旋桨达到临界状态时的转速N也不断增加。同时临界轴向力逐渐增加并表现为阻力，螺旋桨旋转方向与正常桨一致。计算了考虑船尾伴流影响后内桨锁定或外桨锁定，以及内桨自由旋转或外桨自由旋转时所受到的作用力。比较了FLUENT和卡耳玛科夫两种方法的计算结果。
本文利用标准K—ε湍流模型计算了具有自由表面的粘性绕流场。计算不同航速下的船舶所受的阻力值，并与试验值比较，通过分析发现：在低速时，计算值比试验值要大，而在高速时CFD计算值偏小。但总的来说两者差别不大。计算阻力曲线和试验阻力曲线的变化趋势基本一致，能较好地反映出船体的阻力性能。验证了CFD模拟带自由液面船体的粘性流场是可行的。
在前一章的基础上进一步探讨了船体周围以及螺旋桨内桨及外桨盘面处的伴流分布，模拟了船体尾部桨盘面处的伴流场。分别计算了裸船体和附体船桨盘面处的三向速度比随角度变化的分布情况；计算了三向平均速度比沿径向的分布情况。计算了平均轴向，切向以及径向速度比随Fr数的变化情况，发现随着Fr的增大，船舶内外桨盘面处的平均轴向速度比增加。说明航速V的变化对船尾伴流分布是有影响的。
建立了船舶操纵性运动模型。建模时，分别考虑了作用在船体，桨，舵上的力和力矩以及三者之间的相互干涉。利用前几章计算得出的各水动力值，代入MMG方程中，并用龙格库塔法对操纵运动的数学模型求解，从而实现船舶的运动仿真。
本论文可为进一步研究大型船舶快速性以及操纵性能提供一些参考和依据。
7.期刊论文蔡昊鹏.苏玉民.李鑫.沈海龙.CAI Hao-peng.SU Yu-min.LI Xin.SHEN Hai-long面元法预估导管螺旋
桨水动力性能的一种新方法-船舶与海洋工程学报（英文版）2009,8(4)
采用一种新的方法预估导管螺旋桨的水动力性能;导管和螺旋桨均采用基于速度势的面元法,它们间的影响通过相互的诱导速度势数值迭代来体现,与诱导速度体现相互影响的方法相比,本文方法可节省编程及计算时间;对JD系列导管螺旋桨的计算与实验结果的比较表明,该方法可以有效地预估导管螺旋桨的水动力性能.
8.学位论文郭俊速度面元法预报螺旋桨水动力性能2010
近年来随着航海业的蓬勃发展，人们对螺旋桨的要求也逐渐增高。通过详细的理论计算，准确地预报螺旋桨的水动力性能，进而能够避免由于不良设计所带来的振动、空泡等问题。运用理论计算方法预报螺旋桨水动力性能同时还具有经济、快速、简便等优点，但是它预报的螺旋桨桨叶表面的压力分布值与试验值还是有着一定的差距。因此，研究如何更为准确地预报螺旋桨水动力性能是国内外学者一直致力研究的课题。
面元法直接在真实物面上分布源汇等奇点，这样便可以合理的考虑物体厚度的影响，桨叶表面的压力分布也更接近于实际。它对复杂物体的几何形状能更精确地描述，对于桨毂、导管和桨叶上空泡的影响也更容易处理。
速度面元法的主要思想是将物面引起的速度单独由源汇的面分布来表示，考虑物面的法向速度为零的边界条件，从而构成求解面源强度的基本公式。
本文采用了一种改进的较易满足库塔条件的速度面元法。这种方法将桨叶表面和桨毂表面离散为一系列四边形双曲面元，在每个四边形面元上布置等强度源，同时拱弧面和尾涡面也离散为布置涡的四边形双曲面元。在定常情况下，我们认为只要桨叶拱弧面随边处的法向速度为零即自动满足库塔条件。计算每个面元上的奇点对场点的诱导速度，再根据桨叶表面、桨毂表面和拱弧面上的运动学边界条件建立求解奇点强度的方程。进而通过伯努利方程计算得出桨叶表面压力分布，再通过积分求得螺旋桨的推力和转矩。
本文采用上述方法计算了DTMB4119桨桨叶表面的压力分布和速度分布，然而由于数值问题的处理不够准确，没有得到合理的结果。尽管本文的研究不是很成功，但是它提出了一种同时在桨叶和拱弧面上布置水动力奇点的思路，对进一步提高面元法预报螺旋桨水动力性能的精度具有一定的实用意义。
9.期刊论文谭廷寿.王德恂.Tan Tingshou.Wang Dexun大侧斜螺旋桨水动力性能预报-武汉交通科技大学学报
2000,24(2)
采用面元法预报大侧斜螺旋桨水动力性能,螺旋桨表面及尾涡面离散为四边形双曲面元,每个面元上布置等强度源汇和偶极子分布.对于大侧斜螺旋桨而言,桨叶表面采用常规的等半径网格划分方法在近叶梢处将导致大展弦比、大侧斜和扭曲面元,这容易使桨叶表面速度的计算结果不正确,甚至会导致迭代过程发散及计算失败.文中建立了一种"非常规网格"划分方法,能有效地解决大侧斜螺旋桨的计算和收敛问题.桨叶随边处通过迭代实现非线性等压库塔条件.
10.学位论文赖华威考虑水下机器人对流场影响的螺旋桨水动力性能研究2009
随着人类探索的步伐向海洋进发，水下机器人作为一种高技术手段，在开发海底这块人类未来最现实的可发展空间中起着至关重要的作用，发展水下机器人的意义是显而易见的。对水下机器人包括其动力螺旋桨的水动力性能的研究是整个研究中的前期部分。而对螺旋桨水动力性能的研究是一个比较成熟的问题，应引入新方法，本文利用CFD计算形成对螺旋桨水动力性能快速预报的能力，使CFD成为螺旋桨设计的手段之一，发挥CFD计算结果信息量大的特点，对螺旋桨相关性能进行考察。
本文先运用Pro＼E软件对复杂的型体——螺旋桨实现参数化建模，从数值模拟的角度出发，借助大型通用计算流体力学软件FLUENT，采用合适的计算方法与计算模型对螺旋桨敞水进行数值模拟，对数值模拟的得到的敞水性能曲线、桨叶表面压力云图、尾流、倒车性能和雷诺数影响的考察，结果表明运用该方法对螺旋桨水动力性能的研究是行之有效的。通过设置变化流场，研究在变化流场作用下螺旋桨水动力性能的表现，从计算结果可以看出与螺旋桨推进方向逆向的水流能增大螺旋桨的推力，而同向的水流会对螺旋桨推力起到削弱作用；而侧向的水流对螺旋桨推力、扭矩等宏观性能影响不大。研究导管螺旋桨的水动力性能，加入水下机器人主体模型，考虑导管螺旋桨与水下机器人主体之间的相互影响作用下的螺旋桨性能。
根据获得的参数、空间六自由度方程和缆绳运动方程，运用FORTRAN语言编写程序，以计算机作为平台，在用FLUENT软件计算中导入该程序，得到水下机器人运动仿真系统。对水下机器人简单的运动进行仿真，包括自转、纵向运动和纵横向运动耦合等。本文提出的计算模型考虑了螺旋桨与主体水动力相互影响的情况。计算结果表明：本文所提出的模型可以有效地预报有缆水下机器人的水动力特性。
本文链接：https://www.doczj.com/doc/c717994526.html,/Periodical_hebgcdxxb200905002.aspx
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下载时间：2011年1月16日