高 慧韓 強(qiáng)姚震球

（1.江蘇科技大學(xué) 船舶與建筑工程學(xué)院 張家港 215600；2.海鹽港航管理局 嘉興 314300）

0 引 言

在對(duì)螺旋槳與艇體相互影響的研究中，如果單獨(dú)對(duì)螺旋槳或者艇體流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真均無法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)他們之間的相互關(guān)系［1］，而本文采用FLUENT軟件對(duì)艇體尾部螺旋槳的粘性流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析計(jì)算，采用SST湍流模型。在交界面處采用混合面和滑移網(wǎng)格兩種處理方法，對(duì)螺旋槳和艇體粘性流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，比較光艇與含有螺旋槳情況下摩擦阻力的差異，并與ITTC1957公式進(jìn)行比較，來驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性，從而揭示真實(shí)螺旋槳和艇體之間相互作用的內(nèi)在規(guī)律。

1 計(jì)算模型

1.1 計(jì)算網(wǎng)格

采用混合面和滑移網(wǎng)格模型進(jìn)行螺旋槳/艇體流場(chǎng)的整體計(jì)算。

圖2中a和b分別為采用混合面法和滑移網(wǎng)格法對(duì)螺旋槳區(qū)域和艇體區(qū)域的交接面，它們的交接面網(wǎng)格并非完全配合。

本文采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的混合網(wǎng)格。主艇體及尾流場(chǎng)大部分區(qū)域采用O-H型多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，即橫向?yàn)镺型網(wǎng)格、縱向?yàn)镠型網(wǎng)格，如圖3所示；而在螺旋槳計(jì)算區(qū)域附近使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在靠近物面處網(wǎng)格加密，離壁面第一個(gè)網(wǎng)格的離壁距離為10-3艇長(zhǎng)。船體區(qū)域網(wǎng)格單元數(shù)：

軸向×橫向×周向=130×80×40。

對(duì)于艇體尾部的螺旋槳幾何曲率比較大，如果生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，則可能產(chǎn)生負(fù)體積，故采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格替代［2］。結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格之間采用設(shè)置交界面的形式連接。其中潛艇主附體區(qū)域均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，見圖4；螺旋槳區(qū)域?yàn)榉墙Y(jié)構(gòu)網(wǎng)格，見圖5；結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格通過設(shè)置交界面的形式來連接，見圖6。其中左邊是使用混合面的方法，右邊使用滑移面的方法。

由于螺旋槳剖面是從中部開始到葉梢不斷縮小的，葉稍附近槳葉剖面弦長(zhǎng)很小，厚度幾乎為0?？紤]到螺旋槳幾何的上述特點(diǎn)，為了生成高質(zhì)量的網(wǎng)格，故在此將葉梢處切掉一小塊［3］。

1.2 求解區(qū)域與邊界條件

本章選取的計(jì)算雷諾數(shù)為Re=1.61×107。計(jì)算區(qū)域?yàn)橥忌嫌我粋€(gè)艇長(zhǎng)的位置，船尾向下游延伸兩個(gè)艇長(zhǎng)處，中軸線向左右各延伸一個(gè)艇長(zhǎng)的距離。

由于包含螺旋槳的計(jì)算流場(chǎng)左右不對(duì)稱，因此計(jì)算區(qū)域必須包含整個(gè)艇體。應(yīng)用混合面模型，由于周向物理量是做平均化處理的，結(jié)合本文為四葉槳，因此計(jì)算范圍可只考慮1/4流場(chǎng)。而應(yīng)用滑移網(wǎng)格模型時(shí)，由于在交接面上采用插值處理的方式，故螺旋槳區(qū)域采用全槳全流道模擬，見圖7。

本文計(jì)算邊界條件的設(shè)定為：計(jì)算區(qū)域的邊界分為入口邊界、出口邊界、遠(yuǎn)場(chǎng)邊界以及物面。入口邊界根據(jù)艇模航行速度指定入口速度，出口邊界給定靜壓條件，其壓力等于參考?jí)毫?，在外邊界上同樣使用速度進(jìn)口條件，潛艇外表面設(shè)定為無滑移條件。另外還要設(shè)定螺旋槳區(qū)域的旋轉(zhuǎn)速度，指定旋轉(zhuǎn)軸。在螺旋槳區(qū)域和艇體區(qū)域的交接面兩側(cè)對(duì)于混合面法分別設(shè)定壓力進(jìn)口和壓力出口條件，而使用滑移面法其交接面設(shè)定為Interface類型［4］。對(duì)一般的三維復(fù)雜流場(chǎng)區(qū)域，計(jì)算模型的幾何表達(dá)和計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格劃分，將花費(fèi)整個(gè)計(jì)算過程一半左右的時(shí)間。

1.3 數(shù)值計(jì)算方法

本章采用有限體積法（FVM）對(duì)控制方程在時(shí)間和空間上進(jìn)行離散，將其轉(zhuǎn)化為可計(jì)算的代數(shù)方程。有限體積法是在每個(gè)計(jì)算單元上對(duì)控制方程進(jìn)行積分，離散后的方程體現(xiàn)了在每一個(gè)計(jì)算單元上的流場(chǎng)參數(shù)。時(shí)間離散包括每一項(xiàng)在一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)不同方程的積分。壓力項(xiàng)采用二階中心差分格式，其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式。非定常湍流計(jì)算采用二階隱式時(shí)間推進(jìn)法。代數(shù)方程求解時(shí)采用亞松弛迭代，壓力速度耦合迭代采用Simple算法，湍流模式選用 SST κ-ω。

2 計(jì)算結(jié)果與分析

2.1 基于混合面法計(jì)算結(jié)果分析

潛艇在水下航行時(shí)所受的總阻力為流體作用力沿運(yùn)動(dòng)方向的合力，它主要由作用在潛艇表面的摩擦阻力和艇體首尾壓力差產(chǎn)生的粘壓阻力組成。摩擦阻力系數(shù)和粘壓阻力系數(shù)定義如下：

表1為計(jì)算所得到的帶與不帶螺旋槳情況下的潛艇阻力系數(shù)以及使用ITTC1957公式得到的摩擦阻力系數(shù)比較。

表1 采用混合面法的艇體阻力系數(shù)比較

從表1可以看出,對(duì)于帶槳或者不帶槳的潛艇，其數(shù)值計(jì)算得到的摩擦阻力基本保持不變，計(jì)算得到摩擦阻力系數(shù)和ITTC1957公式預(yù)報(bào)值非常接近，說明螺旋槳在艇尾部工作對(duì)艇體表面的摩擦阻力的影響并不明顯。之所以存在細(xì)微差別，是由于艇體尾部的水流速度增大，使摩擦阻力有所增加。

光艇阻力系數(shù)與ITTC1957公式存在差異的主要原因是ITTC1957公式按“平板假定理論”得出，沒有考慮到潛艇首尾表面線型的變化。另外考慮到螺旋槳在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生推力，使得它與光艇的壓差阻力相比，帶槳艇體壓差阻力增加了73.51%，總阻力增加13.37%。壓差阻力的明顯變化主要是由于艇體尾部壓力的明顯增加。從下頁(yè)圖8和圖9可以看出，含有螺旋槳的艇體尾部的壓力系數(shù)相對(duì)光艇而言降低明顯，反映了艇體尾部和螺旋槳之間存在相互影響。

2.2 基于滑移網(wǎng)格法的計(jì)算結(jié)果分析

采用時(shí)間步進(jìn)獲得非定常流動(dòng)，時(shí)間步長(zhǎng)取為0.002 s，迭代至4.1 s開始，作用于艇尾部的螺旋槳升力系數(shù)隨時(shí)間呈周期性變化，我們認(rèn)為此時(shí)已達(dá)到穩(wěn)定的解［5］。

圖10為沿艇體表面壓力系數(shù)積分的收斂歷程，表2為采用混合面方法和滑移網(wǎng)格方法時(shí)的潛艇總阻力系數(shù)、壓差阻力系數(shù)以及摩擦阻力系數(shù)的比較。

表2 采用混合面和滑移網(wǎng)格方法的艇體阻力系數(shù)比較

從圖10和表2可以看出，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)，不會(huì)引起艇體表面摩擦阻力的變化，而壓差阻力變化卻很明顯。采用混合面法和滑移網(wǎng)格法所得結(jié)果基本接近，只不過采用滑移網(wǎng)格法更能夠反映螺旋槳在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中各項(xiàng)阻力系數(shù)的波動(dòng)。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文應(yīng)用周向平均的混合面法和滑移網(wǎng)格的方法，對(duì)螺旋槳/潛艇粘性流場(chǎng)進(jìn)行了整體數(shù)值模擬。完成了艇體尾部繞流計(jì)算后，比較了不帶槳和帶槳情況下的摩擦阻力系，并且與ITTC1957公式作了比較，結(jié)果較吻合。本研究工作將進(jìn)一步向工程應(yīng)用方面發(fā)展，以產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益。

［1］張楠.潛艇流水孔流場(chǎng)與阻力的數(shù)值預(yù)報(bào)方法與回歸分析研究［D］.無錫：中國(guó)船舶科學(xué)研究中心，2004.

［2］張楠，姚惠之，沈泓萃.潛艇粘流計(jì)算發(fā)展現(xiàn)狀與展望［A］.//中國(guó)船舶科學(xué)研究中心.CFD技術(shù)研討會(huì)文集［C］.2004.

［3］唐登海，董世湯.船舶螺旋槳周圍粘性流場(chǎng)數(shù)值預(yù)報(bào)與流場(chǎng)分析［J］.水動(dòng)力研究與進(jìn)展（A 輯），1997，12（4）：26-36.

［4］王濤，周連弟，張?chǎng)?軸對(duì)稱體與導(dǎo)管推進(jìn)器組合體的三維復(fù)雜流場(chǎng)的計(jì)算與分析［J］.船舶力學(xué)，2003，7（2）：21-32.

［5］張楠，沈鴻萃，姚惠之.潛艇阻力與流場(chǎng)的數(shù)值模擬與驗(yàn)證及艇型的數(shù)值優(yōu)化研究.船舶力學(xué)，2005，（1）：1-13.