胡 義， 劉宗發(fā)

(武漢理工大學(xué) a. 高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b. 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

基于CFD技術(shù)的機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)

胡 義a,b， 劉宗發(fā)a,b

(武漢理工大學(xué) a. 高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； b. 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

針對(duì)傳統(tǒng)機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)的局限性，提出將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics ,CFD)技術(shù)應(yīng)用到機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)計(jì)算中。應(yīng)用Fluent軟件計(jì)算螺旋槳性能參數(shù)，在一定進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行機(jī)槳匹配。運(yùn)用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)螺旋槳性能參數(shù)，結(jié)果表明試驗(yàn)值與預(yù)報(bào)值的吻合度較高，該CFD技術(shù)可應(yīng)用到機(jī)槳匹配實(shí)際設(shè)計(jì)中。將CFD技術(shù)應(yīng)用到機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)中進(jìn)行實(shí)例計(jì)算比較，結(jié)果表明該設(shè)計(jì)思路具有一定的可行性。

機(jī)槳匹配；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)；螺旋槳；Fluent

在船舶航行過程中，其機(jī)槳存在相互匹配的問題，若匹配不當(dāng)，會(huì)出現(xiàn)主機(jī)功率不足或超負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的問題，甚至出現(xiàn)敲缸、拉缸等嚴(yán)重故障。機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)問題貫穿于船舶設(shè)計(jì)、建造和使用等全壽命管理過程。機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)與能源效率設(shè)計(jì)指數(shù)、船舶的經(jīng)濟(jì)性及安全性等有著密切聯(lián)系。目前，在船舶機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)中，一般采用比較傳統(tǒng)的B系列圖譜法和MAU系列圖譜法。為更好地實(shí)現(xiàn)機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)的自動(dòng)化，BP回歸系數(shù)法、KT和KQ回歸系數(shù)法也得到廣泛應(yīng)用。這2種方法在機(jī)槳匹配計(jì)算中主要計(jì)算出螺旋槳的性能參數(shù)(包括螺旋槳敞水效率η0，推力系數(shù)KT和轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ)，應(yīng)用這些參數(shù)進(jìn)行機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)計(jì)算。[1-3]

本文在螺旋槳直徑已知的情況下，進(jìn)行一定進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi)的機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)，計(jì)算出不同螺距比對(duì)應(yīng)的螺旋槳性能參數(shù)，通過對(duì)比找出敞水效率的最大點(diǎn)，該效率最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的螺旋槳性能參數(shù)和主機(jī)性能參數(shù)就是在機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)中求得的結(jié)果。在求解不同螺距比對(duì)應(yīng)的螺旋槳性能參數(shù)時(shí)，應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics ,CFD)技術(shù)進(jìn)行螺旋槳的性能參數(shù)計(jì)算，突破傳統(tǒng)機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)的局限性。

1 CFD技術(shù)預(yù)報(bào)螺旋槳性能參數(shù)

1.1 模型建立

在驗(yàn)證利用CFD技術(shù)預(yù)報(bào)螺旋槳性能參數(shù)的準(zhǔn)確性時(shí)，采用DTMB P4119標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳，其主要參數(shù)見表1。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中螺旋槳的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，在Excel中分別計(jì)算出螺旋槳葉背和頁面在各切面上的坐標(biāo)型值點(diǎn)。將螺旋槳的槳葉及槳轂的型值點(diǎn)導(dǎo)出，并將其轉(zhuǎn)換為.dat文件。將不同葉切面的型值點(diǎn)及槳轂的型值點(diǎn)導(dǎo)入到Gambit軟件中，通過點(diǎn)創(chuàng)建不同葉切面下的曲線，將曲線填充為曲面，將曲面合并為槳葉實(shí)體，通過復(fù)制和旋轉(zhuǎn)曲面生成其余的槳葉及槳轂，最后通過布爾運(yùn)算將槳葉和槳轂合并為一個(gè)實(shí)體(見圖1)。

表1 DTMB P4119標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳主要參數(shù)

圖1 螺旋槳三維圖

1.2 計(jì)算域劃分

在螺旋槳水動(dòng)力性能分析中，為更好地提高數(shù)值計(jì)算的準(zhǔn)確性及減少計(jì)算量，將整個(gè)計(jì)算流域劃分為2個(gè)大小不同的流域。小流域隨螺旋槳一起旋轉(zhuǎn)，從而仿真模擬螺旋槳周圍流體的流動(dòng)情況。旋轉(zhuǎn)區(qū)域以外的大流域?yàn)殪o止區(qū)域。大流域的直徑為5D(D為螺旋槳的直徑)，長度為12D；小流域的直徑為2D，長度為1.5D。小流域相對(duì)大流域旋轉(zhuǎn)，其中：大流域要用小流域進(jìn)行分割；小流域和螺旋槳要進(jìn)行布爾運(yùn)算。

1.3 網(wǎng)格生成

在CFD計(jì)算前的處理中，網(wǎng)格的劃分直接影響到計(jì)算效率的高低和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。網(wǎng)格過于疏松會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果出現(xiàn)較大的誤差，網(wǎng)格過密又會(huì)使計(jì)算量增加和計(jì)算結(jié)果難以收斂。螺旋槳的槳葉曲面和槳轂的表面采用三角形非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分。螺旋槳表面網(wǎng)格劃分完成之后，采用Tgrid方法和Tet/Hybrid單元搭配對(duì)小流域進(jìn)行體網(wǎng)格劃分。小流域體網(wǎng)格劃分完成之后，按照相同的方法進(jìn)行大流域體網(wǎng)格劃分，大流域體網(wǎng)格劃分的密度可適當(dāng)降低，有利于減少網(wǎng)格總數(shù)。采用以上網(wǎng)格劃分方法，可在網(wǎng)格數(shù)量一定的情況下提高計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。[5-6]計(jì)算域及螺旋槳的網(wǎng)格劃分結(jié)果見圖2。

圖2 計(jì)算域及螺旋槳的網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.4 邊界條件及求解參數(shù)設(shè)定

流體計(jì)算域及螺旋槳網(wǎng)格劃分完成之后，導(dǎo)入到Fluent軟件中，采用SIMPLE耦合求解器進(jìn)行求解。在湍流模型的選擇上，使用重整規(guī)化群k-ε模型(RNGk-ε湍流模型)。該模型是利用重組化群的數(shù)學(xué)方法在標(biāo)準(zhǔn)的k-ε模型基礎(chǔ)上推導(dǎo)出的，具有更高的可信度和精度，其湍動(dòng)能和耗散率方程[4]為

(1)

(2)

在對(duì)螺旋槳進(jìn)行性能參數(shù)預(yù)報(bào)時(shí)，采用Fluent軟件中的多參考模型(Multiple Reference Frame Model,MRF)。該模型是最簡單的多運(yùn)動(dòng)參考系模型，為穩(wěn)態(tài)求解方法，可為獨(dú)立的計(jì)算區(qū)域指定不同的旋轉(zhuǎn)或平移速度。在MRF模型計(jì)算區(qū)域之間的網(wǎng)格并不會(huì)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，需將大流域與小流域之間的交界面設(shè)置為對(duì)應(yīng)的interface面，并在軟件中分別進(jìn)行對(duì)應(yīng)關(guān)聯(lián)，從而確保網(wǎng)格不同的2個(gè)交界面能進(jìn)行傳遞計(jì)算。

大流域圓柱體的表面及螺旋槳的表面均設(shè)置為壁面(即WALL)。入口條件設(shè)置為速度入口(即velocity inlet)，出口邊界邊界條件設(shè)置為自由出流邊界(即outflow)。旋轉(zhuǎn)區(qū)域的轉(zhuǎn)速設(shè)置為600 r/min，螺旋槳的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)設(shè)置為“relative to adjacent cell zone”。在數(shù)值計(jì)算中，將螺旋槳視為相對(duì)軸向靜止，通過改變?nèi)肟谔幩鞯乃俣葋砟M螺旋槳的前進(jìn)速度。流場假設(shè)為不可壓，流場流動(dòng)的連續(xù)方程和動(dòng)量方程[6]為

(3)

(4)

1.5 結(jié)果分析

在計(jì)算過程中，螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)J分別取0.500，0.600，0.700，0.833，0.900，1.100；進(jìn)速系數(shù)的大小通過改變螺旋槳進(jìn)速Va的大小來控制。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表2。

表2 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

由表2可知，在不同進(jìn)速系數(shù)下，螺旋槳水動(dòng)力性能的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果之間的誤差較小，其中，推力系數(shù)KT的平均誤差為-1.6%，轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ的平均誤差為1.4%?？傮w來說，不同進(jìn)速系數(shù)下推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合較好。

2 應(yīng)用CFD進(jìn)行機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)

在進(jìn)行船、機(jī)、槳匹配時(shí)，需將三者的特性參數(shù)置于同一個(gè)坐標(biāo)系中進(jìn)行分析。由式(6)可知，螺旋槳推力系數(shù)KT的計(jì)算式中含有螺旋槳直徑D和轉(zhuǎn)速np這2個(gè)未知變量，在機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)過程中，僅給定螺旋槳直徑D或轉(zhuǎn)速np。

(5)

(6)

聯(lián)立式(5)和式(6)，可得

(7)

KT，ship=C7J2

(8)

將螺旋槳特性曲線KT和船舶特性曲線KT，ship置于同一個(gè)坐標(biāo)系中，可得到二者的交點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ和敞水效率η0就是對(duì)應(yīng)螺距比下的螺旋槳匹配參數(shù)(見圖3)。比較不同螺距比對(duì)應(yīng)的敞水效率η0的大小，最大點(diǎn)對(duì)應(yīng)的螺旋槳參數(shù)和主機(jī)功率即為機(jī)槳匹配計(jì)算結(jié)果。

圖3 螺旋槳特性曲線

本文在已知螺旋槳直徑的條件下進(jìn)行機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)，在一定進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi)對(duì)螺旋槳推力系數(shù)KT和船舶特性系數(shù)KT,ship進(jìn)行匹配，求得不同螺距比對(duì)應(yīng)的螺旋槳參數(shù)，從中找出敞水效率η0的最大點(diǎn)，確定最佳的螺旋槳參數(shù)，并選擇出合適的主機(jī)，使之既能滿足達(dá)到預(yù)定航速的要求，又能使主機(jī)消耗的功率最小，以得到良好的匹配效果。[8-10]

根據(jù)上述機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)方法及螺旋槳特性曲線圖譜法提出軟件計(jì)算流程(見圖4)?？紤]到螺旋槳特性曲線圖譜法的局限性，根據(jù)CFD對(duì)螺旋槳性能參數(shù)預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性及機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)的原理，提出將CFD技術(shù)應(yīng)用到機(jī)槳初步匹配過程中的設(shè)計(jì)思路，其設(shè)計(jì)流程見圖5。

圖4中的匹配設(shè)計(jì)流程是在螺旋槳直徑已知的條件下，在一定的進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)，求得不同螺距比對(duì)應(yīng)的螺旋槳性能參數(shù)，找出不同螺距比對(duì)應(yīng)的敞水效率的最大點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的螺旋槳性能參數(shù)及主機(jī)性能參數(shù)即為所求。在求解螺旋槳的參數(shù)時(shí)，采用回歸系數(shù)法，目前主要有Bp回歸系數(shù)法及KT和KQ回歸系數(shù)法。KT和KQ回歸系數(shù)法的相關(guān)資料全部公開，可在一定范圍內(nèi)根據(jù)盤面比、槳葉數(shù)和螺距比等參數(shù)計(jì)算出對(duì)應(yīng)的螺旋槳參數(shù)，但并沒有對(duì)全系列螺旋槳進(jìn)行回歸。Bp回歸系數(shù)法只能在螺旋槳盤面比確定的情況下進(jìn)行計(jì)算，且沒有公布全系列回歸系數(shù)。

圖4 回歸系數(shù)初步設(shè)計(jì)流程

圖5中的匹配設(shè)計(jì)流程同樣是在螺旋槳直徑已知的條件下，在一定進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)，求得不同螺距比對(duì)應(yīng)的螺旋槳的性能參數(shù)，從中找到不同螺距比對(duì)應(yīng)的敞水效率的最大點(diǎn)。但是，在計(jì)算不同螺距比對(duì)應(yīng)的螺旋槳性能參數(shù)時(shí)，采用CFD技術(shù)求解。首先根據(jù)流程中不同的螺距比，在Excel軟件中求得螺旋槳的型值點(diǎn)，并在Gambit軟件中實(shí)現(xiàn)建模和網(wǎng)格的劃分；隨后在Fluent軟件中求得推力和轉(zhuǎn)矩；最后獲得螺旋槳的基本性能參數(shù)。

3 實(shí)例計(jì)算與分析

選取某船機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)算例進(jìn)行比較和分析，根據(jù)該船的船模試驗(yàn)報(bào)告給出其有效功率曲線及機(jī)槳匹配所需參數(shù)，選取B系列中的螺旋槳作為匹配設(shè)計(jì)的螺旋槳，通過初步匹配設(shè)計(jì)，使船舶在滿足預(yù)定航速的情況下選出的主機(jī)消耗功率足夠小。

首先在設(shè)計(jì)吃水下進(jìn)行機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)。船舶在設(shè)計(jì)航速下的相關(guān)參數(shù)為:設(shè)計(jì)航速11.5 kn,有效功率354.5 kW,伴流分?jǐn)?shù)0.298,推力減額0.209,相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率1.0,螺旋槳直徑2.24 m,軸系傳遞效率0.98。

圖5 應(yīng)用CFD初步設(shè)計(jì)流程

采用上述已知條件進(jìn)行機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)，分別按照提供的2種不同方法進(jìn)行計(jì)算，并與采用手算方法所得計(jì)算結(jié)果相對(duì)比。這3種計(jì)算方法的結(jié)果比較見表3。

表3 3種計(jì)算方法結(jié)果比較

通過對(duì)上述結(jié)果進(jìn)行比較分析發(fā)現(xiàn)：采用回歸算法所得結(jié)果與采用手算方法所得結(jié)果的吻合度非常高，具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值；回歸系數(shù)法能適用的螺旋槳僅有MAU型螺旋槳和B型螺旋槳；CFD算法能適用所有類型的螺旋槳。采用CFD算法所得結(jié)果與采用手算方法所得結(jié)果存在一定的誤差，但誤差僅為1.2%。在初步匹配設(shè)計(jì)之后，選擇主機(jī)時(shí)還要具有10%主機(jī)功率的儲(chǔ)備；在采用CFD算法時(shí)，主機(jī)功率儲(chǔ)備可降低到8.8%。通過以上實(shí)例計(jì)算比較分析可知，將CFD技術(shù)應(yīng)用到機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)中具有一定的可行性和實(shí)用性。

4 結(jié)束語

隨著CFD技術(shù)的不斷發(fā)展及廣泛應(yīng)用，CFD技術(shù)在螺旋槳性能參數(shù)預(yù)報(bào)方面的準(zhǔn)確度越來越高。根據(jù)機(jī)槳匹配相關(guān)原理設(shè)計(jì)計(jì)算流程圖，提出將CFD技術(shù)應(yīng)用到機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)中。首先通過Excel編制相關(guān)轉(zhuǎn)換公式，計(jì)算得到螺旋槳的型值坐標(biāo)點(diǎn)，并在Gambit中進(jìn)行建模和網(wǎng)格劃分；隨后應(yīng)用Fluent軟件計(jì)算得到螺旋槳的性能參數(shù)，通過與試驗(yàn)值相對(duì)比發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果在誤差允許范圍之內(nèi)。應(yīng)用CFD技術(shù)進(jìn)行機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)計(jì)算，通過對(duì)不同計(jì)算方法的結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)回歸算法的結(jié)果與手算方法的結(jié)果吻合度非常高，CFD算法的結(jié)果存在工程允許范圍內(nèi)的誤差。在完成機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)時(shí)，選擇主機(jī)要考慮很多因素，同時(shí)要有10%的功率儲(chǔ)備，因此應(yīng)用CFD技術(shù)進(jìn)行機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)具有很高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

本文提出的將CFD技術(shù)應(yīng)用到機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)中的思路突破了傳統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)計(jì)算的局限性，具有廣泛的適用性；同時(shí)，該設(shè)計(jì)方法可通過軟件編程實(shí)現(xiàn)機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)的自動(dòng)化。

[1] 吳東杰. 主推進(jìn)裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)及仿真研究[D]. 武漢：武漢理工大學(xué), 2012: 8-13.

[2] INOUE T, SUZUKI H, KITAMOTO R, et al. Hull Form Design of Underwater Vehicle Applying CFD (Computational Fluid Dynamics)[C]//OCEANS 2010 IEEE-Sydney, 2010:87-93

[3] 王建政. 船機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)軟件開發(fā)[D]. 哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué), 2012: 32-64.

[4] 宋福元, 姜任秋, 孫寶芝. MAU型螺旋槳建模與水動(dòng)力性能分析[J]. 船舶工程, 2016(1): 38-40.

[5] MORGUT M, NOBILE E. Influence of Grid Type and Turbulence Model on the Numerical Prediction of the Flow Around Marine Propellers Working in Uniform Inflow[J].Ocean Engineering, 2012, 42: 26-34.

[6] ZHANG Z R. Verification and Validation for RANS Simulation of KCS Container Ship Without/with Propeller[J]. Hydrodyn, 2010, 22(5): 932-939.

[7] WILSON S, COLEMAN R F. Comprehensive Approach to Verification and Validation of CFD Simulations, Part 1: Methodology and Procedures[J]. ASME J. Fluids Eng, 2001(3): 793- 802.

[8] SZANTYR J A. The Crucial Contemporary Problems of the Computational Methods for Ship Propulsor Hydrodynamics[J]. Archives of Civil and Mechanical Engineering, 2008: 8(1): 69-95.

[9] 胡義,楊建國. 機(jī)槳匹配初步設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)方法研究[J]. 船海工程, 2008, 37(6): 76-79.

[10] HU Yi, ZHOU Ruiping, YANG Jianguo. Research on Software Implementation Method of Matching Propulsion Engine to Propeller[C].International Conference on Computational Intelligence and Software Engineering,2010:1-5.

PreliminaryDesignofEngine-PropellerMatchingBasedonCFDTechnology

HUYia,b,LIUZongfaa,b

(a. Key Laboratory of High Performance Ship Technology, Ministry of Education;b. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)

In view of the limitation of traditional engine-propeller matching process, to perform preliminary matching between the propeller and the engine with Computational Fulid Dynamics (CFD) technology is proposed. The propeller performance parameters are calculated by Fluent software, and the engine-propeller matching is carried out within a given speed coefficient range. Tests show that the test values are in good agreement with the predicted values, and the method can be applied to the practical matching process. The method has also been used in practical design and proved to be feasible.

engine propeller matching; CFD; propeller; Fluent

2017-11-25

國家科技支撐計(jì)劃(2014BAG04B02-3)

胡 義(1975—)，男，湖北孝感人，副教授，博士，研究方向?yàn)閯?dòng)力裝置性能分析與故障診斷。E-mail:huyiwhut@163.com

1000-4653(2017)04-0038-05

U662.3

A