桨径比对串列螺旋桨水动力性能的影响.pdf
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1、2023 年 10 月第 44 卷 第 10 期推进技术JOURNAL OF PROPULSION TECHNOLOGYOct.2023Vol.44 No.102207023-1桨径比对串列螺旋桨水动力性能的影响*严睿雄1,张怀新2,姚慧岚1(1.中国海洋大学 工程学院,山东 青岛 266000;2.上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海 200240)摘 要:基于B系列和AU系列桨叶参数设计了22只不同桨径比的串列桨,采用数值方法进行性能研究,重点比较了后桨直径大和后桨直径小的串列桨的推力和效率,在此基础上探讨桨径比变化对串列桨性能的影响,最终从流场干扰角度对性能变化的原因进行分析。结果
2、表明:后桨直径大的串列桨的推力和效率均优于后桨直径小的串列桨。在中小进速系数下,随着后桨直径增大,串列桨的效率先增大后减小,存在最佳值,而在大进速系数时,随着前桨径与后桨径比值的减小,效率逐渐提升。较小的前桨对后桨入流的不利干扰减少,是串列桨效率提高的根本原因。关键词:串列螺旋桨;桨径比;敞水性能;桨间干扰;数值模拟中图分类号:U661.31 文献标识码:A 文章编号:1001-4055(2023)10-2207023-13DOI:10.13675/ki.tjjs.2207023Effects of Diameter Ratios on Hydrodynamic Performance of
3、Tandem PropellersYAN Rui-xiong1,ZHANG Huai-xin2,YAO Hui-lan1(1.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266000,China;2.State Key Laboratory of Ocean Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)Abstract:Based on B series and AU series blade parameters,22 tandem pro
4、pellers of different diameter ratios were designed,and the hydrodynamic performance of these propellers was investigated by numerical simulation.Then,thrust and efficiency of the tandem propellers with lager aft propellers were compared with the tandem propellers with smaller aft propellers.The infl
5、uence of diameter ratios on hydrodynamic performance of tandem propellers was investigated.And finally the cause of this influence was analyzed from the perspective of the flow field.Results show that tandem propellers with larger aft propellers have the higher thrust coefficient and efficiency than
6、 those with smaller aft propellers.At a low or moderate advance coefficient,the open water efficiency increases and then decreases as the diameter of the aft propeller is enlarged,which means there exists optimum efficiency.At a high advance coefficient,efficiency keeps growing as the ratio of the f
7、orward propeller diameter to the aft propeller diameter(Df/Da)increases.A root cause of the improvement in efficiency is that the interaction between the forward propeller and the aft propeller is weakened as the diameter of the forward propeller is reduced.*收稿日期:2022-07-06;修订日期:2022-09-19。基金项目:国家自然
8、科学基金(52101335;52171316);山东省自然科学基金(ZR2020QE293);山东省博士后创新项目(202002018)。作者简介:严睿雄,硕士生,研究领域为螺旋桨水动力。通讯作者:姚慧岚,博士,讲师,研究领域为推进器水动力学。E-mail:引用格式:严睿雄,张怀新,姚慧岚.桨径比对串列螺旋桨水动力性能的影响 J.推进技术,2023,44(10):2207023.(YAN Rui-xiong,ZHANG Huai-xin,YAO Hui-lan.Effects of Diameter Ratios on Hydrodynamic Performance of Tandem Pr
9、opellers J.Journal of Propulsion Technology,2023,44(10):2207023.)桨径比对串列螺旋桨水动力性能的影响第 44 卷 第 10 期2023 年2207023-2Key words:Tandem propellers;Diameter ratio;Open water performance;Blade interaction;Numerical simulation1 引 言为了满足海上运输、海洋开发和海洋工程建设的需要,船舶的尺寸和载重不断增加,这使得普通的单螺旋桨的荷载过大,更容易出现桨叶空化严重、船尾结构振动较大等问题。为了弥补
10、这些缺陷,转螺旋桨、串列螺旋桨等特种推进器引起了研究者的关注。相比于其他特种推进器,串列螺旋桨的结构相对简单,加工、安装和维修成本都比较低1。而且串列桨能够较好地吸收主机功率,降低桨叶载荷,从而在一定程度上改善桨叶表面的空化,减轻船尾结构振动2。早期对串列螺旋桨的认识较浅,相关研究也较少,串列螺旋桨的发展缓慢。直到大型船舶的出现对普通螺旋桨的负荷、振动、噪声等方面提出了新的要求。这些要求一方面使得普通螺旋桨向着多叶数、大侧斜等方向变化,另一方面也促进了串列螺旋桨的发展3。在这期间学者专家对串列螺旋桨开展了大量的研究和模型试验4-5,并将串列桨运用于内河船舶上,进行了实船试验6-8。结果表明,比
11、起普通螺旋桨,串列螺旋桨的推进效率有所提高,空泡性能和船体激振情况也有一定程度的改善。此后随着对串列螺旋桨前后桨的桨距比、叶错角等组合参数研究的开展,人们对串列桨的认识进一步加深。孙勤等9的研究表明通过调节前后桨的叶错角与桨距比,串列螺旋桨的效率得到提高,此时的桨距比一般为0.20.25倍螺旋桨直径,相关的最佳叶错角也可以通过公式估算。但是上述研究主要基于前后桨等直径的串列桨,主要原因是研究者认为相同直径的前后桨以固定的叶错角转动时,前桨产生的梢涡以及收缩尾流不会对后桨的叶梢部分造成干扰10。近年来,一些研究者设计了后桨桨径略小的串列螺旋桨,并展开了相关研究。Djahida 等11在桨距比为
12、0.6 的条件下对比了后桨与前桨直径之比 Da/Df为 0.5,0.75,1.0 的Seiun-Maru HSP 串列螺旋桨,模拟结果表明,前后桨等大的串列桨在转矩系数、推力系数和高进速系数下的效率都大于后桨直径小的串列桨,但在中低进速系数下,后桨小的串列桨在效率上略高于等径串列桨。Chavan 等12对后桨桨径减小的影响进行研究,设置了 Da/Df=1.0,0.975,0.95 三组串列桨对比模拟,发现转矩系数、推力系数和效率都随着后桨直径的减小而减小。Liu 等13基于 KP458 螺旋桨设置了Da/Df 为 0.970.92 的五组串列螺旋桨,结果表明后桨能够较好地吸收前桨产生的尾流,在
13、一定桨距比下,后桨直径小的串列螺旋桨敞水效率比等径串列桨更高。在之前的研究中14-15,类比于在航空领域具有优越气动性能的鸭式布局机翼16,提出了一种鸭式布置的串列桨。这种串列桨的前桨直径略小于后桨。前桨直径较小,类似于飞机的鸭翼,而后桨直径较大,类似于飞机的主翼。这种串列桨能够更好地适应船尾处的空间结构,而且比起传统的等径串列桨,其敞水效率有所提高。综上,在串列桨设计中,关于前、后桨直径的选取仍然存在争议。传统理论认为前、后桨直径相等时串列桨的性能最佳,但近来有研究发现,一定条件下,后桨直径略小时效率要高于等直径串列桨。而根据之前的研究发现,后桨直径略大时串列桨的性能也要优于等直径串列桨。因
14、此,串列桨前后桨径比的选择需要进一步的探讨分析。本研究基于 B 系列和 AU 系列翼型设计了 22 只串列桨,并根据桨径比不同将其分为三组。采用计算流体力学方法,运用动参考系模型(Moving Reference Frame),通过求解 RANS 方程和 SST k-湍流模型对敞水中的串列桨进行数值模拟,对各桨的性能进行预报。通过比较,明确后桨大和后桨小的串列桨性能特点和优势,分析了串列桨敞水性能与前后桨径比的变化规律,并从桨叶表面压力和轴向速度的角度探讨桨径比变化对串列桨性能的影响机理。2 数值模拟方法2.1 几何模型为了让结果更具一般性,本文根据 AU 系列和 B系列桨叶参数设计了两种串列
15、桨,一共 22只,一种是由两只四叶 B系列螺旋桨组成,另一种是由两只三叶AU系列螺旋桨组成,具体的参数如表 1所示。各串列螺旋桨的参数如表 2 所示,图 1 对这些参数的定义进行了说明。B 系列串列桨前后桨的直径基于参考直径 Dr=0.22m 进行变化,叶错角为 18,桨距比为 0.21,除了直径外其他参数均相同;AU系列串列桨前后桨的直径都基于参考直径 Dr=0.25m 按照比推进技术2023 年第 44 卷 第 10 期2207023-3例进行缩放,叶错角为 48,桨距比为 0.24,除了直径外其他参数均相同。B 系列串列桨的转速为 15r/s,AU 系列串列桨的转速为 11r/s,两种串
16、列桨的雷诺数范 围 分 别 是 Re=5 1055.5 105,Re=4 1054.2 105,大于临界雷诺数3 105。根据桨径比不同,将串列桨分为三组:后桨略小的串列桨、后桨与前桨等大的串列桨以及后桨略大的串列桨。为了更加科学地比较后桨大和后桨小的串列桨的性能,采用将前、后桨直径互换的形式得到两只串列桨进行直接比较,这样能保证两只串列桨除桨径比不同外的所有参数均相同。图 2 和图 3 分别是 B 系列串列桨和 AU 系列串列桨模型,其中蓝色为前桨,橙色为后桨。2.2 计算域与网格图 4为本研究所使用的计算域,整个计算域划分为两个子区域,一个是旋转域,另一个是静止域。旋转域通过动参考系方法(
17、Moving Reference Frame)实现旋转,这两部分通过交界面来传输数据。整个计算域是一个直径为 8Dr,长度为 13Dr的圆柱体,旋转域的直径为 1.4Dr,长度为 1.4Dr。速度入口距离螺旋桨(原点)3Dr,压力出口距离原点 10Dr,圆柱面为可滑移的壁面。采用 STAR-CCM+软件,通过数值求解稳态不可压的 N-S 方程,对串列螺旋桨的敞水性能进行模拟,湍流模型采用 SST k-模型。图 5为计算域以及近壁面的网格划分结果。计算域的网格采用切割体网格,螺旋桨周围划有局部加密网格并且在桨叶处设置了 22层边界层网格,边界层增长率为 1.15,壁面平均 Y+值在 1 左右,采
18、用近壁模型法直接求解近壁面流动。Table 2 Varieties of three combination parameters of the tandem propellerTandem propellersCLB4-55CLAU3-65Reference diameter Dr/m0.220.25Angular spacing/()1848Axial spacing ratio L/Dr0.210.24Diameter differenceDf/Da0.95/1.05,0.96/1.04,0.97/1.03,0.98/1.02,0.99/1.01,1.00/1.00,1.01/0.99,
19、1.02/0.98,1.03/0.97,1.04/0.96,1.05/0.95Fig.1Geometric description of the tandem propeller Fig.2Geometry of the CLB4-55 tandem propeller Fig.3Geometry of the CLAU3-56 tandem propellerTable 1 Parameters of two propellersParameterBlade numberDiameter/mDisk ratioPitch ratioBoss ratioRake/()Rotation rate
20、/(r/s)B series40.220.551.20.182015AU series30.250.650.80.181011桨径比对串列螺旋桨水动力性能的影响第 44 卷 第 10 期2023 年2207023-42.3 串列螺旋桨性能参数为了对不同桨径比的串列桨性能进行比较,定义相关水力性能参数为J=vAnDr(1)KT=Tf+Tan2D4r(2)KQ=Qf+Qan2D5r(3)=KTKQJ2(4)CP=2pv2A(5)式中 J为进速系数;vA和n为进速和转速;Dr为参考直径;KT和KQ为推力系数和转矩系数;Tf,Ta,Qf和 Qa分别为前桨和后桨的推力和转矩;是水的密度;是串列桨敞水效率
21、;p是压力;Cp是压力系数。2.4 网格无关性分析数值方法的验证所使用的螺旋桨模型是 CLB4-55-2 串列桨。通过对网格基本尺寸按照 1 1.4 的比例进行缩小,本文共设置了精细程度分别为 Coarse,Middle,Fine的 3套网格,模拟的结果如表 3所示。总体来看,三套网格模拟结果之间的相对差值都在 1%以内,且 Fine 与 Middle 之间的相对差值比 Middle 与Coarse之间的相对差值要更小,可以认为网格精细度对模拟结果并不构成大影响。因此,在保证足够计算精度的同时,为了节省计算资源,后续研究中的数值模拟都选择精细程度为 Middle的网格。2.5 准确性验证CLB
22、4-55-2 串列螺旋桨的数值模拟结果与试验结果17下的比较如表 4和图 6所示。可以看出,模拟结果与试验数据基本吻合。当进速系数 J=1.0 时,KT与实验值的误差相对较大,为 8.45%,主要原因是在大进速系数时螺旋桨的推力系数较小,导致准确预报变得更加困难。总体来说,本文的模拟结果是可靠的。Table 3 Mesh independence analysis results(J=0.6)CaseCoarseMiddleFineCell number/million1.432.735.5410KQ0.68520.68680.6882KT0.36160.36430.36680.50390.5
23、0660.5090Difference(10KQ)/%-0.230.20Difference(KT)/%-0.750.69Difference()/%-0.540.47Fig.5Meshes generated in the computational domainTable 4 Comparison of numerical results with experimental data,open water performance of the CLB4-55-2 propellerJ0.20.40.60.81.010KQ0.94220.81130.68680.55630.3974KT0.5
24、6440.46310.36430.26520.15390.19070.36340.50660.60710.616410KQ-Exp0.96000.83540.71140.57310.4061KT-Exp0.57070.47530.38110.28090.1681-Exp0.18920.36220.51150.62410.6587Error(10KQ)/%1.852.883.462.932.14Error(KT)/%1.102.574.415.598.45Error()/%-0.79-0.330.962.726.42Fig.4Computational domain and boundary c
25、onditions推进技术2023 年第 44 卷 第 10 期2207023-53 结果与讨论3.1 后桨大和后桨小串列桨推进性能比较图 7 给出了后桨直径大和后桨直径小的 CLB4-55系列串列桨推力系数和效率的比较。从图中可以看出,在不同进速系数条件下,后桨大的串列桨的推力系数和效率都优于后桨小的串列桨;在同一进速系数条件下,随着前后桨直径差异的增大,后桨大的串列桨的优势变得更加明显。比如,当进速系数为0.6 时,前后桨径比 Df/Da=0.99/1.01 与 Df/Da=1.01/0.99的串列桨相比,推力提升 4.87%,效率提升 0.61%,而当 前 后 桨 直 径 差 异 增 大
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