螺旋桨粘性流场的数值模拟.pdf

第39卷第3期船海工程Vo1．39No．3
2010年6月SHIPOCEANENGINEERINGJun．2010

螺旋桨粘性流场的数值模拟

靳伟，王化明
(1．上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院海洋工程国家重点实验室，上海200240；
2．浙江海洋学院船舶与建筑工程学院，浙江舟山316004)

摘要：对商业软件FIUENT提供的三种肛￡湍流模型进行KP505桨敞水时三个典型进速系数下的流
场进行计算。选定一种湍流模型进行多个进速系数下的敞水性能计算，并把计算得到的结果与实验数据比
较，吻合良好，并对螺旋桨敞水时三个典型工况进行研究，分析他们的流场特征。
关键词：数值模拟；湍流模型；螺旋桨敞水性能；计算流体力学；FLUENT
中图分类号：U664．33文献标志码：A文章编号：16717953(2010)03—0044—04

船舶螺旋桨水动力性能的研究方法主要有升’(s)cost(r)(1)

力线、升力面、面元法和RANS方法等。升力线方(r)一(r)+C(r)(—O．5)+
法简单，但求解的精度不够高。升力面理论在2O，
世纪8O年代已经成熟，在推进器设计和性能预报F(s)§(2)
r
方面起了重要作用。但他是建立在薄翼理论的基
(r)一rcosO(r)(3)
础之上，在计算桨叶剖面压力分布，特别是在导边
z(r)一rsin0(r)(4)
附近压力的分布时会有较大的误差。面元法是一
式中：z(，一)——弦线中点在轴向的投射距离；
种奇点分布法，将奇点分布在螺旋桨物面和尾涡面
C(r)——弦长；
上，通过求解边值问题而得到螺旋桨的水动力特
s——无量纲量的弦长，在导边为0，随边为1；
性，他在预报压力分布方面比升力面方法要好。升
F(s)——s处切面上、下交点到弦线的距离；
力线、升力面和面元法都是基于势流理论，在应用
(r)——侧斜角；

时要有一定的粘性修正u]。随着计算流体力学D
(r)——螺距角，tanq~(r)一。
(CFD)方法的发展，求解RANS方程的商业软件相厶【，
继出现并不断完善，在粘性流计算中被越来越多地其中：P——螺距。
使用。本文利用、D软件FIMENT对KP505桨KP505桨是一个5叶的变螺距右旋模型桨，
进行敞水计算。该桨是2000年哥德堡船舶CFD直径为0．25m。叶剖面形状为NACA66+Q一
会议提供的用作CFD计算时的参考桨。0．8的拱弧线，毂径比为0．18。根据式(1)～(4)
可以得到螺旋桨的几何模型，见图1。
1螺旋桨几何模型、网格及基本设置
图2为螺旋桨的计算区域。桨叶所在的区域
对于理论设计的螺旋桨，如以NACA翼型为由于是中心对称且周期性重复的，因此利用
剖面的螺旋桨来说，常以内弦(鼻尾线)为弦线，弦FLUENT中提供的单参考系(singlereference
长和螺距也根据所取弦线来定义[2j。桨叶各个半frame，SRF)模型，并采用旋转周期性边界条件，
径-r处坐标的表达式为L3]：可以仅对一个流道、一片桨叶进行建模、计算。一
(r)一(r)+C(r)(5—0．5)sing)(r)一对周期性边界条件之间所夹的区域只要是包含一
片桨叶的1／5圆柱体即可。在这种情况下，螺旋

收稿日期：2009—05—26桨周期性地在计算区域内旋转，相对于惯性系而
修回日期：2009—08—10言，流动是非定常的，但在不考虑相对于惯性系静
作者简介：靳伟(1983)，男，硕士生。止的部件影响时，可以取与螺旋桨一起运动的一
研究方向：计算船舶流体力学。个计算区域，那么相对于这个旋转参考系而言，流
E-mail：[e-mail]动就是定常的，这就简化了计算。
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第3期船海工程第39卷

风格式。速度压力的耦合方式为SIMPLE。

2计算结果

远场2．1螺旋桨敞水计算结果
首先计算标准h模型(SKE)，RNG￡模
型(RNG)以及Realizablee模型(RKE)在进速
系数为0．1、0．5和0．9时的推力系数和转矩系
数。计算结果见表1。

表1三种湍流模型三个进速系数下的计算结果

模型，一0．1r一0．5，一0．9
Kt10KqKt10KqKt10Kq

SKE0．43300．64110．27460．44280．06280．1709
图1桨的几何形状图2计算区域及边界
RNG0．44500．64870．27610．44190．06240．1682
RKE0．44420．64850．27640．44210．06230．1681
上游速度入口在2D(D为螺旋桨直径)以外，远
场在2．5D以外，出口位置在桨盘面下游4D以外。比较三种肛e模型在这三个进速系数下的计算
侧面为旋转周期性边界条件，他们之间的夹角为结果可以发现，他们在相同的进速系数