正文共： 1590字 13圖    預(yù)計(jì)閱讀時(shí)間： 4分鐘

1 前言

    水下推進(jìn)器是潛艇、船只等裝備的重要設(shè)備，負(fù)責(zé)為裝備的運(yùn)動提供所需的動力。其基本工作原理是借助軸的扭矩使葉片隨軸產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，流經(jīng)推進(jìn)器的水動量發(fā)生變化，根據(jù)牛頓第三定律，將會對推進(jìn)器產(chǎn)生一個(gè)推力。今天，我們用一個(gè)假想的推進(jìn)器螺旋槳做一個(gè)計(jì)算案例。

2 建模與網(wǎng)格

    建立如下的三維計(jì)算模型，對于該問題的計(jì)算，類似于離心泵的計(jì)算，需要建立動、靜子域。本案例中，螺旋槳及其外圍附近的圓柱面構(gòu)成旋轉(zhuǎn)域，圓柱面和外圍方形（也可以是圓柱形）構(gòu)成靜態(tài)域，圓柱面為動靜域的交界面（interface）。劃分多面體網(wǎng)格，重點(diǎn)對螺旋槳附近的網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化，因?yàn)榇颂幍淖兞刻荻茸畲?。另外，視螺旋槳的結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度，旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格質(zhì)量通常難以達(dá)到較高水平，本案例的最小正交質(zhì)量為0.1。

3 邊界條件與求解設(shè)置

    采用默認(rèn)的SST k-ω湍流模型，控制壁面的Y+接近1。

    我們設(shè)定進(jìn)口流速0.3m/s，類比風(fēng)洞試驗(yàn)，該速度也是表征推進(jìn)器和母裝備（潛艇、船只）以0.3m/s的速度前進(jìn)。本案例的進(jìn)口速度方向?yàn)?Z，則推進(jìn)器移動方向?yàn)?Z。

    本案例采用MRF多運(yùn)動參考坐標(biāo)系方法模擬動域，該方法為穩(wěn)態(tài)計(jì)算，求解時(shí)間相對較短。當(dāng)然也可以用滑移網(wǎng)格（mesh motion），只能瞬態(tài)計(jì)算，但是，可以模擬實(shí)際運(yùn)動狀態(tài)。按下圖設(shè)定旋轉(zhuǎn)域的角速度，FLUENT角速度的方向采用右手定則。本案例設(shè)置的旋轉(zhuǎn)軸為+z，角速度為負(fù)值，實(shí)際上旋轉(zhuǎn)軸為-Z，根據(jù)右手定則，表示的旋轉(zhuǎn)方向如圖所示。

    螺旋槳的壁面設(shè)定為運(yùn)動壁面，運(yùn)動參數(shù)設(shè)置如下，表示螺旋槳和動域一起旋轉(zhuǎn)。

    其他面設(shè)置為自由滑移壁面，也可設(shè)置為對稱邊界。

    設(shè)置一個(gè)監(jiān)視器，監(jiān)測螺旋槳壁面的推力。

    其它求解設(shè)置默認(rèn)，建議對于該問題，壓力速度耦合采用coupled算法，收斂性更好。

4 計(jì)算結(jié)果

    我們先看一下殘差曲線，和推力監(jiān)測曲線，可以看到收斂效果還不錯，如果收斂性很差，首先考查一下是不是網(wǎng)格質(zhì)量問題。

    螺旋槳壁面的靜壓力以及附近的速度矢量如下，可以看到介質(zhì)旋轉(zhuǎn)并向-Z方向運(yùn)動，根據(jù)前面設(shè)定的轉(zhuǎn)動方向，葉片在迎面上的壓力大于背面的壓力，這樣根據(jù)葉片的形狀，會產(chǎn)生+Z方向的推力，這也符合動量守恒定律。

    我們讀取一下螺旋槳的推力值，總推力為7007N，壓力的貢獻(xiàn)是正值（如前文分析），粘力的貢獻(xiàn)為負(fù)，介質(zhì)向后流動必然產(chǎn)生向后的粘性力。

    我們再讀取一下螺旋槳的扭矩值，總扭矩為2593N·m。FLUENT扭矩的方向也采用右手定則，可以看出扭矩的方向和旋轉(zhuǎn)方向是相反的，符合實(shí)際情況。

    綜上分析，螺旋槳在該旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)速度下，將產(chǎn)生+Z方向上7007N的推力，使得裝備以0.3m/s的速度向+Z方向移動。將前進(jìn)速度乘以推力得到前進(jìn)的功率為2102.1W，將總扭矩乘以旋轉(zhuǎn)角速度得到推進(jìn)器的輸入功率為27148.7W，這個(gè)工作點(diǎn)下推進(jìn)器的效率為7.7%。

    若我們將動域的旋轉(zhuǎn)方向改變一下，同時(shí)進(jìn)出口的邊界不變，則必然產(chǎn)生方向的推力（如下），也就是前文所說的運(yùn)動狀態(tài)是不成立的，假設(shè)+Z是運(yùn)動目標(biāo)方向，則該旋轉(zhuǎn)方向?qū)⑹沟醚b備反向運(yùn)動。

    定義如下幾個(gè)參數(shù)，用以評價(jià)螺旋槳的性能：

    其中Va為來流速度（m/s），本案例為0.3m/s；D為螺旋槳葉片外徑（m），本案例為1.2m，n為轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/秒），本案例為（200/60）轉(zhuǎn)/秒T為推力（N），Q為扭矩（Nm），ρ為介質(zhì)密度（kg/m³），水的密度998.2 kg/m³。

    于是本案例計(jì)算點(diǎn)螺旋槳的性能參數(shù)如下，也就是當(dāng)裝備的流動阻力等于螺旋槳的推力時(shí)，螺旋槳的工作點(diǎn)參數(shù)如下：

    可以通過計(jì)算不同的來流速度（亦即裝備航行速度），獲得螺旋槳的性能曲線（橫坐標(biāo)為J），縱坐標(biāo)為K_T，K_Q和η₀如下，當(dāng)J=0.7，亦即裝備航行速度2.8m/s時(shí)，本案例的螺旋槳效率最高，此時(shí)推力（裝備航行阻力）734.3N，螺旋槳扭矩339N·m，輸入功率3.549kW，裝備航行的功率2.056kW。注意，本案例的螺旋槳為隨意畫的，性能參數(shù)沒有實(shí)際應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1] CFD ANALYSIS OF CONTROLLABLE PITCH PROPELLER USED IN MARINE VEHICLE

[2] Marine Propellers

文章來源：南流坊