基于多參考系和滑移網(wǎng)格模型的吊艙推進器水動力性能研究

1、基于多參考系和滑移網(wǎng)格模型的吊艙推進器水基于多參考系和滑移網(wǎng)格模型的吊艙推進器水動力性能研究動力性能研究闖振菊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)對粘性流場中某型拖式吊艙推進器的定常及非定常水動力性能進行了研究，得到了吊艙推進器的敞水性征曲線，以及隨著進速系數(shù)的變化吊艙推進器在XYZ三個方向上推力和轉(zhuǎn)矩的變化規(guī)律。在數(shù)學(xué)的建模過程中

2、，利用FTRAN語言編制了計算吊艙推進器型值點的程序，然后把計算值導(dǎo)入FLUENT的前處理器GAMBIT建立了光滑的三維計算模型。文中給出了吊艙推進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軸向和切向速度的高峰區(qū)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞:吊艙推進器，CFD，多參考系模型，滑移網(wǎng)格模型，水動力性能Abstract:UseCFD

3、methodcombinedwithMRFMovingMeshtechnologytodosomeresearchonthepoddedpropeller’shydrodynamicperfmanceintheviscousflowfield.ObtaineditsacteristiccurvetheregularityofthefcemomentinXYZdirections.Thenodesofpoddedpropellerwere

4、calculatedbyFTRANprogramwhichwerefittedthroughNUMBSmethodinGAMBITsoastoestablishthecalculatingmodel.Thispapershowedthepressuredistributiononthebladestheaxialradialtangentialvelocityonthesurfaceoftheblade.Theresultsshowed

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

6、D推進器主要由支架、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)置電機直接驅(qū)動艙體前端和（或）后端的螺旋槳。其設(shè)計思想的革命性在于，它把螺旋槳驅(qū)動電機置于一個能360o回轉(zhuǎn)的吊艙內(nèi)，懸掛在船下，集推進裝置和操舵裝置于一體，省去了通常所使用的推進器軸系和舵。POD推進器將推進系統(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、建造和使用的靈活性。目前國內(nèi)在吊艙推進器方面主要關(guān)注其水動力性能，目前研究水動力

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，同時不考慮流體分離。粘性流方法相對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流動。鑒于此文章用選擇CFD方法來計算吊艙推進器的水動力性能。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充分發(fā)展的流場，這個流場再以一定的速度運動就可以得到

8、實際的流場，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較弱時可以使用MRF模型求解吊艙推進器的定常水動力性能。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:計算交界面兩側(cè)的通量，并使其相等。為了計算交界面的通量，首先在每一新的時間步確定出交界面兩邊交界區(qū)的重合面?；旧?，通過網(wǎng)格重合面的通量，是由交界面兩邊交界區(qū)的重合面計算，而不是用整個交界面計算。非定常流動計算中，在流體機械的旋轉(zhuǎn)部件出口與固定

9、部件進口間形成網(wǎng)格滑移的交界面。當(dāng)轉(zhuǎn)子和定子的交互作用應(yīng)用實時解法(而不是時均解法)時，必須用滑動網(wǎng)格模型計算非穩(wěn)態(tài)流場。3數(shù)值計算模型吊艙推進器螺旋槳的直徑為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，計算出吊艙推進器表面的型值點，將原

10、始的型值點數(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，進行實體幾何建模。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器的三維模型后，還要在螺旋槳的四周建立一個小的控制域以及整個吊艙的外部建立一個

11、大的控制域，這樣便于在劃分網(wǎng)格時進行局部加密，提高計算結(jié)果的準(zhǔn)確度。大域的直徑約為螺旋槳直徑的5倍，長度約為整個吊艙推進器的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中計算時根據(jù)需要進行詳細的設(shè)置。本為劃分的網(wǎng)格數(shù)目為2337538。4數(shù)值計算結(jié)果4.1定常水動力性能計算結(jié)果在FLUENT中利用多參考系方法，結(jié)合RNG湍流模型，進速系數(shù)分別取