基于动网格与滑移网格混合技术的导管螺旋桨推力研究

基于动网格与滑移网格混合技术的导管螺旋桨推力研究钟乐;吴家鸣;张恩伟;侯玲【摘要】Using CFD methods, based on hybrid technique of dynamic mesh and sliding mesh, mesh renewal method for spring smoothing and local mesh reconstruction, solve the N-S equation in the watershed where the propeller is located. Research the thrust characteristics and the hydrodynamic phenomena of the ducted propeller under different modes of motion. Comparison of numerical simulation results and experimental results shows that,it is feasible to study the thrust characteristics of the ducted propeller by using the dynamic grid and the sliding mesh hybrid technique. In different modes of motion, the propeller disk surface feel the water flow rate is different, resulting in the propeller produced different axial induction velocity, making the ducted propeller issued different thrust. The greater the water velocity, the smaller the axial induction speed of the propeller, the smaller the thrust. On the contrary, the greater.%基于动网格与滑移网格混合技术,采用弹簧光顺与局部网格重构的网格更新方式,基于计算流体力学方法,求解导管螺旋桨流域内的N-S方程,研究不同运动方式下导管螺旋桨推力特性及水动力现象.数值模拟结果和实验结果的比较表明:利用动网格与滑移网格混合技术进行导管螺旋桨推力特性研究方法可行.导管螺旋桨在不同的运动形式下,螺旋桨盘面所感受到的水流进速不同,造成螺旋桨所产生的轴向诱导速度不同,使得导管螺旋桨发出不同的推力.水流进速越大,螺旋桨产生的轴向诱导速度越小,则推力越小;反之,则越大.【期刊名称】《广东海洋大学学报》【年(卷),期】2017(037)004【总页数】8页(P105-112)【关键词】导管螺旋桨;CFD;动网格;滑移网格;三维运动;诱导速度【作者】钟乐;吴家鸣;张恩伟;侯玲【作者单位】华南理工大学土木与交通学院,广东广州 510640;华南理工大学土木与交通学院,广东广州 510640;华南理工大学土木与交通学院,广东广州 510640;广东海洋大学海洋工程学院,广东湛江 524088【正文语种】中文【中图分类】TV131.2导管螺旋桨是常见的螺旋桨推进器家族中的一种，在负荷较重时，其效率较普通螺旋桨高。

因此，该类推进器尤其适用于渔船、拖轮等重载船舶上[1]。

而在目前的导管螺旋桨数值模拟中，采用运动的相对性原理来等效模拟导管螺旋桨的旋转是最常用的方法[2]。

将导管螺旋桨置于计算域中心，采用滑移网格技术模拟螺旋桨的旋转运动、通过改变计算域来流速度边界条件来等效模拟导管螺旋桨在水下的运动。

这是一种准静态数值分析方法，有失真实性。

还有一种是采用动网格技术来实现导管螺旋桨的线性运动，滑移网格技术实现螺旋桨的旋转运动，该方法是更贴合实际的一种数值模拟方法，能够克服上述两种方法的某些不足。

但是，此方法采用的是铺层技术来实现网格的更新，只能实现前进和后退两个方向的运动[3]。

本研究采用动网格与滑移网格混合技术的数值模拟方法对导管螺旋桨的三维多自由度运动进行模拟。

首先根据所选的导管螺旋桨几何要素构造三维几何模型[4-5]，其次是构建结构网格与非结构网格混合计算域，然后采用动网格与滑移网格混合技术以计算流体力学方法在整个计算域内求解其N-S方程，以此对不同运动状态下的导管螺旋桨的推力进行模拟和观察[6]。

本方法将螺旋桨的高速旋转运动与三维多自由度运动分离，以不同的方法实现，再进行组合数值模拟，以实现真实的导管螺旋桨运动。

为导管螺旋桨的研发设计提供数值实验依据。

1.1 控制方程与湍流模型计算中设定流体为不可压缩粘性流体，则导管螺旋桨在运动过程中其周围流场的控制方程为[7]：连续性方程，动量方程，方程（1）—（4）中，x、y、z为流场的三维空间坐标；ux、uy、uz为流体的三维速度分量；p为流场的压强；ρ为流体密度；为流体运动黏性系数。

流场中的流体湍流流动采用 Yakhot和 Orszag建立的RNG k-ε湍流模型，壁面函数采用标准壁面函数[8]。

湍流方程如下。

1.2 导管螺旋桨几何模型构建导管螺旋桨采用Ka 4-70/19A标准导管螺旋桨，如图1所示，具体参数值见表1。

1.3 计算域网格与边界条件数值模拟的计算域如图2所示，根据文中所研究问题的性质，将计算域分为导管内以螺旋桨轴为旋转轴、长度为Lc，直径为 105%螺旋桨直径的回转体旋转流场计算域Ⅰ，包围导管螺旋桨的运动计算域Ⅱ；非结构网格内计算域Ⅲ；结构网格外计算域Ⅳ[9-10]。

之所以采用这样的计算域划分方式，是为了在保证网格质量的同时能尽可能减少网格数量，减少计算时间成本。

为使计算域与计算域之间交界面重合的部分的流场保持连续，在两计算域之间采用界面耦合技术（interface）将他们组合为一个整体。

在计算域Ⅰ中使用了滑移网格技术，保证计算域Ⅰ中旋转流场的转速与真实导管内螺旋桨转速一致[10]。

并且，计算域Ⅰ在旋转的同时也在向前运动。

对旋转计算域内的网格进行细分，在导管螺旋桨周围进行网格局部加密，离开导管螺旋桨，网格有逐渐从致密到稀疏的变化过程，这可以消除由于网格突变所带来的计算误差。

计算域Ⅱ为运动计算域，是附着在导管螺旋桨周围的一小层水域，导管螺旋桨的运动就是用这运动计算域来实现。

非结构网格计算域Ⅲ、结构网格计算域Ⅳ都是属于流场的静态计算域[11-12]。

本研究中各子计算域之间的边界条件类型如表2。

1.4 网格更新方式在数值计算中，螺旋桨的旋转运动通过滑移网格模型采用旋转计算域模拟，这种网格运动不涉及网格的变化。

其他任何形式的运动则采用运动计算域利用动网格技术实现。

这种技术主要采用网格拉伸、压缩、增加、减少网格或者通过网格的局部重构来实现计算域的改变。

动网格更新方法主要有3种：光顺方法（Smoothing）、动态层方法（Layering）、局部网格重构法（Remeshing）[8]。

本研究采用的是弹簧光顺与局部网格重构相结合的方法。

1.5 动区域设定在Fluent中指定边界的运动主要有两种方式：使用瞬态 Profile文件或 UDF(User Defined Functions)。

对于一些简单的运动形式或恒定的运动，可以使用Profile文件直接指定，而对于较为复杂的函数型运动，则需要利用UDF进行描述[8]。

为统一将所有的运动指定都采用UDF进行指定。

1.6 数值计算方法数值计算采用Fluent求解器来求解流动控制方程，在计算过程中选取RNG 湍流模型，采用有限体积法离散控制方程和湍流模式，动量方程采用二阶迎风格式离散，湍流方程采用一阶迎风格式离散，压力项采用PRESTO!格式，压力速度耦合迭代采用SIMPLE 算法[10]。

利用上述数值方法对在不定常流场中作不同运动方式的导管螺旋桨的水动力特性进行了数值模拟，观察螺旋桨以一定转速进行不同运动方式时的推力特性。

导管螺旋桨的运动采用 UDF在 Fluent进行调用，以实现导管螺旋桨的不同运动方式。

式（7）是标准的UDF刚体运动宏：其中vel[0]表示X轴方向的速度，单位为m/s；vel[1]表示Y轴方向的速度，单位为m/s；vel[2]表示Z轴方向的速度，单位为m/s；omega[2]表示绕X轴方向的角速度，也就是螺旋桨的转速，单位为r/s。

2.1 计算域与计算网格为了验证本文所采用数值模拟方法——动网格与滑移网格混合技术在分析导管螺旋桨水动力特性的有效性。

笔者在Ka 4-70/19A标准导管螺旋桨已有实验数据的基础上[13]，将与敞水试验几何参数一致的导管螺旋桨，在相同的实验条件下，对导管螺旋桨的水动力特性进行数值模拟，以便将数值模拟结果与试验结果进行比较。

计算网格与计算域如图3所示。

2.2 数值模拟与实验结果对比在本研究中，对于线性运动，Z方向为导管螺旋桨的前进与后退方向，采用 Vel[2]表示，正值为前进，负值为后退；Y方向为导管螺旋桨的左右方向，采用 Vel[1]表示，正值为右，负值为左；X方向为导管螺旋桨的升沉方向，采用 Vel[0]表示，正值为上升，负值为下沉。

在流体数值模拟中，网格数量对计算结果具有重要的影响。

网格数量过少会造成计算精度过低，得不到符合精度的结果，数量过多则会成倍的增加计算时间成本。

为了验证所选网格数量的合理性，对不同网格数量的计算结果进行如下比较分析。

表3为网格数量与类型信息。

其中算例1中的网格较为稀疏，算例2中的网格较为细致，本研究采用的是最为细致的网格。

图4、图5、图6分别给出了不同进速（Va）时，转速为1 500 r/m，来流速度为零时，网格总数分别为1.76×106、2.78×106、4.12×106，导管螺旋桨数值模拟与模型试验对比结果。

图7给出了导管螺旋桨不同进速（Va）时，转速为1 500r/m，来流速度为零，螺旋桨转矩系数与效率随进速的变化曲线。

从图4、图5、图6中可以看到，随着网格数量的增加，数值模拟计算的误差逐渐减小：网格总数为1.76×106时，平均误差为 30%；网格总数为2.78×106时，平均误差为25%；网格总数为4.12×106时，平均误差为18%。

因此可得出结论：数值模拟计算的精度随着网格精细度的增加而增加。

从图7可以看到，螺旋桨的转矩系数随着进速的增加而逐渐减小，意味着在进速增加时，螺旋桨吸收相同的转矩可以发出更大的推力。