基于多参考系和滑移网格模型的吊舱推进器水动力性能研究.doc

基于多参考系和滑移网格模型的吊舱推动器水动力性能研究闯振菊1,黄胜1,胡健1，解学参1（1,哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江省哈尔滨市150001）摘要：运用CFD软件，结合多参考系方法和滑移网格技术对粘性流场中某型拖式吊舱推动器的定常及非定常水动力性能进行了研究，得到了吊舱推动器的敞水性征曲线，以及随着进速系数的变化吊舱推动器在X,Y,Z三个方向上推力和转矩的变化规律。在数学的建模过程中，运用FORTRAN语言编制了计算吊舱推动器型值点的程序，然后把计算值导入FLUENT的前解决器GAMBIT建立了光滑的三维计算模型。文中给出了吊舱推动器表面的压力分布图，以及桨盘面处的轴向，径向和切向的速度分布图。计算结果表白，螺旋桨的推力及转矩呈周期性振荡变化，并且振荡的频率以一倍叶频为主，在支架的正前端存在一个轴向和切向速度的高峰区。关键词:吊舱推动器，CFD，多参考系模型，滑移网格模型，水动力性能Abstract:UseCFDmethodandcombinedwithMRFandMovingMeshtechnologytodosomeresearchonthepoddedpropeller’shydrodynamicperformanceintheviscousflowfield.ObtaineditscharacteristiccurveandtheregularityoftheforceandmomentinX,Y,Zdirections.ThenodesofpoddedpropellerwerecalculatedbyFORTRANprogram,whichwerefittedthroughNUMBSmethodinGAMBITsoastoestablishthecalculatingmodel.Thispapershowedthepressuredistributionontheblades,andtheaxial,radialandtangentialvelocityonthesurfaceoftheblade.Theresultsshowedthattheforceandmomentofthepoddedpropellervibratesperiodically,andthereisahighaxialandtangentialvelocityzonebeforethepod.KeyWords:poddedpropeller,CFD,MRF,MovingMesh,hydrodynamicperformance1引言吊舱式推动器是近年来发展起来的一种新型的船舶推动系统，是目前船舶推动系统研究开发领域引人瞩目的焦点。POD推动器重要由支架、吊舱和螺旋桨等部件构成。其中，吊舱通过支架悬挂在船体下面，舱体内置电机直接驱动舱体前端和（或）后端的螺旋桨。其设计思想的革命性在于，它把螺旋桨驱动电机置于一个能360o回转的吊舱内，悬挂在船下，集推动装置和操舵装置于一体，省去了通常所使用的推动器轴系和舵。POD推动器将推动系统置于船外，可以节省船体内大量的空间，从而极大地增长了船舶设计、建造和使用的灵活性。目前国内在吊舱推动器方面重要关注其水动力性能，目前研究水动力性能重要有两种方法：势流方法和粘性流方法。势流方法的基本假设是把水当作一种无旋、无粘的抱负流体，不考虑水的粘性作用，同时不考虑流体分离。粘性流方法相对于势流理论在上述方面有一定的优越性，可以近似的模拟流场的真实流动。鉴于此文章用选择CFD方法来计算吊舱推动器的水动力性能。2CFD方法的基本理论2.1多参考系模型（MRF）的基本理论MRF模型是旋转单元体的稳态近似。它求解出来的流场是一个充足发展的流场，这个流场再以一定的速度运动就可以得到实际的流场，多参考系模型方法是近似的，当螺旋桨和舱体之间互相作用相对较弱时可以使用MRF模型求解吊舱推动器的定常水动力性能。2.1.1连续性方程旋转坐标系下的连续性方程表达为:(1）写成张量形式为：（2）式中，是密度，是时间，是速度矢量。此式是瞬态三维可压流体的质量守恒方程。若流体不可压，或者密度为常数。则其散度形式为2.1.2相对速度公式在MRF方法中计算区域分为不同的子域，每个子域的控制方程是关于子域参考系而写的。在两子域间的边界，子域的控制方程的扩散项和其他项需要邻近子域的速度值，使用相对速度公式，每个子域的速度相对于子域的运动计算。速度和速度梯度从移动参考系如下描述的转换到绝对惯性系。计算区域旋转轴的初始位置的位置向量定义为：（3）图1相对速度坐标系这里的是笛卡儿坐标的位置向量，是计算区域旋转轴的初始位置。移动参考系的相对速度可以通过以下方程转换为绝对（静止）参考系的值：（4）这里的速度是绝对惯性参考系的速度，是相对非惯性参考系的速度值，