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斜流角对半浸桨叶剖面入水的水动力特性分析.docx
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斜流角对半浸桨叶剖面入水的水动力特性分析.docx
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随着近年来高性能船舶的航速越来越高,半浸桨以其在较高航速下有较高的效率、较小的
附体阻力、良好的空化性能等优势,具有非常好的应用前景。对于半浸桨的敞水特性的研究,
试验研究是其一直研究的主要手段。Olofsson
[1]
对四叶 841-B 半浸桨进行了模型试验,研究了
斜流角对不同傅劳德数和空化数的螺旋桨特性的影响,得到的试验数据为后续的半浸桨的数值
模拟的研究提供了大量的支持。近年来,随着计算流体力学技术的发展,研究人员大多采用
CFD 的方法对半浸桨的水动力和通气特性进行研究,文献[2-11]就杯型随边、斜流角等参数对
半浸桨进行了数值模拟的研究,均得到了不错的结果,为半浸桨在实际工程中的应用提供了技
术指导。
但由于半浸桨在工作时伴随着通气现象、自由液面提升等一系列复杂的水动力学机理,目
前的数值模拟的精度难以满足现在的工程应用,因此从二维的角度研究半浸桨一方面能够直观
地观察流场细节性的变化,另一方面又减小了计算量,从而可以得到大量的计算结果以便于进
行机理分析,是一种对半浸桨研究的极佳思路。文献[12-13]通过计算流体力学的方法,对半浸
桨二维剖面入水的水动力特性进行分析,验证了该方法能准确地预测二维剖面的受力情况和通
气性能。半浸桨在工作的时候,由于其传动轴倾角会发生改变,进而影响其出入水过程中的斜
流角的大小,因此斜流角的大小对半浸桨叶剖面入水过程水动力特性分析十分重要。
本文采用 RANS 方法,结合标准 k-ε 湍流模型、流体体积方法以及重叠网格技术,研究了
不同斜流角的工况下的半浸桨无因次半径为 0.7 处的杯型剖面的入水过程的水动力特性、自由
液面形式、通气腔形式、流场形式以及表面压力分布等,并在此基础上,对半浸桨杯型剖面入
水过程中斜流角对其水动力特性的影响进行分析,并对相关机理进行研究。
1. 物理条件设置
1.1 计算对象参数
本文选定得计算模型是 841-B 型螺旋桨的 0.7R 位置的杯型剖面,具体的半浸桨模型和
0.7R 对应位置的杯型剖面的形式如图 1 所示,R 为桨模的半径。
图 1 半浸桨的实桨和剖面模型
Fig. 1 Real model and section model of surface piercing propeller
下载: 全尺寸图片
对于 841-B 型半浸桨模型而言,其为图 1(a)所示的四叶半浸桨,其直径为 250 mm,毂
径为 85 mm,盘面比为 0.58。在径向 0.7R 的位置上,叶剖面的弦长为 119.45 mm。
1.2 计算工况设置
1.2.1 水动力性能系数的确定
由于本文是采用半浸桨叶剖面进行机理研究,因此相对应的半浸桨的进数系数 J、推力系
数 K
T
、扭矩系数 K
Q
以及敞水效率 η 等需要以图 2 的方式进行的改变,具体的水动力性能系数
为:
[Math Processing Error]J=VAnD
(1)
[Math Processing Error]Kx=KT=Tρn2D4=Fxρn2D3b
(2)
[Math Processing Error]Ky=KQ=Q/Dρn2D4=Fyρn2D3b
(3)
[Math Processing Error]η=FxFy
⋅
UV
(4)
图 2 半浸桨叶剖面入水的水动力性能参数的转换方式
Fig. 2 Conversion mode of hydrodynamic performance parameters of SPP blade section
water entry
下载: 全尺寸图片
式中:V
A
表示进速;T 为半浸桨产生的推力;Q 为半浸桨吸收的扭矩;F
x
为二维杯型剖
面的 x 向受力;F
y
为二维杯型剖面的 y 向受力;b 为 2.5 D 网格的 z 向计算域厚度;n 为转
速;D 为直径;ρ 为水的密度;U 和 V 分别为进速和切向速度。
除了水动力参数的转化方式,图 2 同样显示了本文的半浸桨叶剖面斜流角变化的方式。
1.2.2 计算工况的确定
基于之前半浸桨相关数值模拟的计算经验
[8-9, 13]
,本文选定的半浸桨杯型剖面的入水过程
的进速系数确定为 0.8≤J≤1.3,转速为 2 254 r/min,在计算过程中,通过改变来流速度和杯型
剖面垂向入水速度的大小来模拟试验的工况,具体的不同攻角情况下的工况设置如表 1 所示。
表 1 半浸桨杯型剖面入水工况设置
Table 1 Working condition setting of cup section water entry
斜流角/(°)
进速/(m·s
-1
)
垂向速度/(m·s
-1
)
0
7.51~12.21
20.64
3
8.59~13.29
20.61
7
10.03~14.72
20.49
1.3 网格模型的建立
1.3.1 边界条件的设置
本文在 STAR-CCM+软件中采用一种垂向尺度较小,层数较少的 2.5D 网格进行建模,这
种网格在进行数值模拟时一方面能够反映模型的三维尺度,另一方面网格较少能够保证足够的
计算效率。具体的边界条件如图 3 所示,由于使用了重叠网格的方式模拟模型的运动,杯型剖
面附近需建立一个计算域,该计算域的交界面边界设置为重叠网格交界面,杯型剖面设置为不
可滑移壁面的边界形式。
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