水下推进器导管前、后段长度对水动力性能的影响.pdf
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1、Applied Physics 应用物理应用物理,2024,14(4),243-259 Published Online April 2024 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/app https:/doi.org/10.12677/app.2024.144029 文章引用文章引用:李阳,庄国钦,曹俊.水下推进器导管前、后段长度对水动力性能的影响J.应用物理,2024,14(4):243-259.DOI:10.12677/app.2024.144029 水下推进器导管前、后段长度对水动力性能的水下推进器导管前、后段长度对水动力性能的影响影响 李李 阳
2、阳1,庄国钦庄国钦2*,曹曹 俊俊3 1南昌航空大学飞行器工程学院,江西 南昌 2福建宏之升钢结构工程有限公司,福建 漳州 3广西智能鹰机器人集团有限公司,广西 柳州 收稿日期:2024年3月6日;录用日期:2024年4月23日;发布日期:2024年4月30日 摘摘 要要 为了提高导管螺旋桨的效率,本文基于为了提高导管螺旋桨的效率,本文基于SST k-模型和运动参考系技术模型和运动参考系技术(MRF),采用计算流体力学,采用计算流体力学(CFD)的方法对不同长度的矩形剖面导管螺旋桨式水下推进器的水动力特性进行数值计算与分析。结果表明:的方法对不同长度的矩形剖面导管螺旋桨式水下推进器的水动力特性
3、进行数值计算与分析。结果表明:随着导管前端或后端的延长,对于不同的螺旋桨桨叶曲面特征,水动力性能的变化趋势也会有所不同,随着导管前端或后端的延长,对于不同的螺旋桨桨叶曲面特征,水动力性能的变化趋势也会有所不同,总体上,导管前端长度的变化对推进器水动力特性的影响比导管后端的大,当导管两端延长相同的长度总体上,导管前端长度的变化对推进器水动力特性的影响比导管后端的大,当导管两端延长相同的长度时,导管螺旋桨的水动力性能与仅延长导管前端时更接近,并且导管前、后端长度存在最优比例。研究时,导管螺旋桨的水动力性能与仅延长导管前端时更接近,并且导管前、后端长度存在最优比例。研究结果能够为导管螺旋桨式水下推进
4、器结构的优化设计提供一定参考。结果能够为导管螺旋桨式水下推进器结构的优化设计提供一定参考。关键词关键词 导管螺旋桨,水动力性能导管螺旋桨,水动力性能,计算流体力学,计算流体力学(CFD),数值模拟,数值模拟 Influence of Front and Back Length of Under-Water Thruster Duct on Hydrodynamic Performance Yang Li1,Guoqin Zhuang2*,Jun Cao3 1Aircraft Engineering Institute,Nanchang Hangkong University,Nanchang
5、Jiangxi 2Fujian Hongzhisheng Steel Structure Engineering Co.,Ltd.,Zhangzhou Fujian 3Guangxi Smart Eagle Robot Group Co.,Ltd.,Liuzhou Guangxi Received:Mar.6th,2024;accepted:Apr.23rd,2024;published:Apr.30th,2024 *通讯作者。李阳 等 DOI:10.12677/app.2024.144029 244 应用物理 Abstract In order to improve the efficien
6、cy characteristics of ducted propeller,based on the SST k-model and moving reference frame(MRF),the hydrodynamic characteristics of rectangular sec-tion ducted propeller with different lengths were numerically calculated and analyzed by compu-tational fluid dynamics(CFD).The results show that with t
7、he extension of the front end of the duct or the back end of the duct,the variation trend of hydrodynamic performance will be different for different blade surface characteristics.In general,the change of the length of the front end of the duct has a greater impact on the hydrodynamic characteristic
8、s of the propeller than that of the back end of the duct.When both sides of the duct are extended by the same length,the hydrody-namic performance of the ducted propeller is more similar to that when only the front end of the duct is extended and there is an optimal ratio of the length of the front
9、end and the back end of the duct.The research results can provide some reference for the optimization design of ducted pro-peller underwater propeller structure.Keywords Ducted Propeller,Hydrodynamic Performance,Computational Fluid Dynamics,Numerical Simulation Copyright 2024 by author(s)and Hans Pu
10、blishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 水下推进器作为水下动力设备,按照推进方式区分,目前的水下推进器主要类型有喷水式推进器、平旋式推进器、槽道式推进器、磁流体式推进器、串列式推进器、科特导管式推进器等1。在重载工况下,导管螺旋桨具有比普通螺旋桨效率高、推力大、振动小的优点2,具有较好的抵抗外界海况变化、维持航向稳定的抗干扰能
11、力3,还能保护螺旋桨,提高螺旋桨的寿命。通过对各类推进器的推进效率进行比较可知1,当处于理想工作状态下时,导管螺旋桨式水下推进器的推进效率值可高达 85%。目前对导管螺旋桨水动力性能的研究,主要有模型试验方法、基于势流理论的方法和基于计算流体力学方法(Computational Fluid Dynamics,CFD)4。胡健等5运用面元法分析影响导管桨水动力性能的几个关键因素,并对这些关键因素进行了组合优化。Feiten 等6采用模拟试验的方法对导管螺旋桨进行了研究。Szafran 等7应用 CFD 技术研究了不同导管的剖面形状,得到水动力性能较好的导管模型。崔立新8运用 CFD 的方法对导管
12、桨的水动力性能及噪声性能进行了仿真。Zhang 等9对斜流条件下的导管螺旋桨进行了数值研究。现阶段大多采用计算流体力学(CFD)技术对具有翼型剖面的导管式螺旋桨的水动力性能进行研究,本文主要针对矩形剖面导管进行研究,以某成品导管螺旋桨为基础,改变导管剖面为矩形剖面及导管前、后端长度,通过 CFD 技术,研究导管长度及前、后段比例对水动力性能的影响,从而实现提升推力、延长续航时间、减小结构尺寸、增加最大挂载重量等目的。现阶段研究中采用国际拖曳水池会议(ITTC)定义的无量纲水动力系数来评价船舶螺旋桨的水动力性能,如推力系数 KTp,转矩系数 KQp以及水动力效率 0,分别通过下列公式进行定义3
13、10:Open AccessOpen Access李阳 等 DOI:10.12677/app.2024.144029 245 应用物理 AVJnD=(1)PTp24TDKn=(2)PQp25QDKn=(3)TpQ0p2KJK=(4)导管的推力系数 KTd和导管由于流体摩擦产生的转矩系数 KQd的定义由下式给出3:dTd24TDKn=(5)dQd25QDKn=(6)公式中 J 为进速系数,VA为水流流入速度,单位为 m/s,Tp为螺旋桨产生的推力,Qp为螺旋桨产生的转矩,Td为导管的推力,单位分别为 N 与 Nm。n 为螺旋桨转速,单位为 rps,D 为螺旋桨直径,单位为 m,为流体的密度,单位
14、为 kg/m3。定义 KTT=KTp+KTd,KQ=KQp,TTQ2KJK=(7)2.研究对象和模型建立研究对象和模型建立 2.1.计算方法计算方法 对于定常不可压缩黏性流体,密度为常数,密度不随时间改变,连续性方程(质量守恒方程)可表示为 0uvwxyz+=(8)式中:u、v 和 w 分别为流体速度矢量在 x、y 和 z 方向的分量,单位为 m/s。动量守恒方程(N-S 方程)可表示为 ()()()222uuuvuwuPuuutxyzxxyz+=+(9)()()()222uvvvvwvPvvvtxyzyxyz+=+(10)()()()222uwvwwwwPwwwtxyzzxyz+=+(11)
15、式中:为流体密度,单位为 kg/m3;t 为时间,单位为 s;P 为压力,单位为 pa;为流体的动力黏性系数。在进行螺旋桨水动力性能计算时,选用比较常用的湍流模型SST k-模型11。SST k-模型能够获得在近壁面自由流中较高的计算精度,通过加权平均的方式将 k-模型和 k-模型组合起来,增加了交叉扩散项,并在湍流粘性系数的定义中考虑了湍流剪切应力的输送过程,从而使 SST k-湍流模型应用范围更广泛。该模型在壁面处边界层附近采用 k-模型,而在远离壁面的充分发展的流体区域采用 k-李阳 等 DOI:10.12677/app.2024.144029 246 应用物理 模型,避免 k-公式对入
16、口自由流湍流过于敏感的问题,克服了原来 k-模型中边界层外的 对自由流相应值的依赖性。SST k-模型通过适当修正湍流模型可用于计算近壁面区的粘性内层,因而能适合各种压力梯度变化的流场模拟。已有研究表明12 13,SST k-湍流模型较传统的 k-湍流模型要更适用于具有逆压梯度流动或分离流动的计算。2.2.模型建立模型建立 选用某成品导管螺旋桨进行逆向设计,通过 CATIA 三维建模软件建立螺旋桨模型,Ansysmeshing生成网格,用 Ansysfluent 进行数值仿真计算。螺旋桨螺距比为 P/D=1.34,盘面比 Ae/Ao=0.5,导管与桨间的设计间隙为 2 mm,三维模型如图 1
17、所示,模型参数如表 1 所示。Figure 1.Schematic diagram of 3D model 图图 1.三维模型示意图 Table 1.Model parameters table 表表 1.模型参数表 参数 数值 螺旋桨直径 81 mm 桨叶数 3 导管内直径 85 mm 导管外直径 89 mm 2.3.计算域和边界条件计算域和边界条件 由于推进器整体具有周期性,因此整个仿真过程选用三分之一的模型,从而节省计算资源。完整计算域为三分之一的圆柱体,入口处到坐标原点(坐标原点取在螺旋桨参考线与桨轴交点上)的距离为 0.5 m,出口处到坐标原点的距离为 3 m,圆柱体的半径为 1 m
18、,如图 2 所示。其中,螺旋桨所在的旋转域绕桨轴旋转,如图 3 所示。旋转域之外为静止域。为了更好的捕捉导管附近区域及螺旋桨尾流场的流动信息,在导管周围和螺旋桨尾部再创建 1 个半径为 0.08 m 的三分之一圆柱体区域为局部加密区,最后通过布尔减运算得到最终的旋转域、局部加密区及外流域,旋转域的侧面与导管内壁面平行且半径比导管内壁面小 0.5 mm,局部加密区域和旋转域之间设置为交界面(interface),区域之间在运动时进行数据传递,局部加密区域和外流域之间设置为内部面(interior)。本文采用多面体非结构网格,考虑到导管与螺旋桨叶梢的间距很小,螺旋桨的导边和随边附近的水流动较剧烈,
19、对螺旋桨叶梢、导边和随边处的网格进行加密。导管和螺旋桨壁面通过膨胀层进行加密,以保证计算的精确度。为了提升计算效率,根据流体运动的剧烈程度,对旋转域、局部加密区及外流域的体网格尺寸依次增加。计算域入口及外流域边界设为速度入李阳 等 DOI:10.12677/app.2024.144029 247 应用物理 口,方向相同,水流流入速度 0.1 m/s,出口设为压力出口,导管、桨毂和桨叶的壁面设为无滑移壁面,其余设置为周期性边界,从而模拟水下推进器的真实流场。求解方法选择基于压力的求解器,求解参数设置及工况见表 2,计算结果收敛后停止迭代。Figure 2.Schematic diagram of
20、 the complete grid 图图 2.完整网格示意图 Figure 3.Grid diagram of the rotating domain 图图 3.旋转域网格示意图 Table 2.Solution parameters and working conditions 表表 2.求解参数及工况 工况参数 类型或数值 求解模式 稳态 湍流模型 SST k-运动模式 MRF 压力离散格式 Standard 耦合方式 Couple 差分方式 二阶迎风格式 水的密度 998.2 kg/m3 水的动力黏性系数 0.001003 kg/(ms)水流流入速度 0.1 m/s 螺旋桨转速 360
21、0 r/min 李阳 等 DOI:10.12677/app.2024.144029 248 应用物理 2.4.网格无关性验证网格无关性验证 图 4 为本文选用的成品导管螺旋桨单桨的实验数据。当油门量为 65%时的反转速为 3601 rpm,与数值仿真设定的转速 3600 rpm 最为接近,故选用油门量为 65%时推进器产生的反推力与扭矩,通过公式(2)、公式(3)计算得到反向推力系数 KTp和转矩系数 KQp,见表 3。Figure 4.Experimental data of single propeller of finished ducted propeller 图图 4.成品导管螺旋桨
22、单桨的实验数据 Table 3.Grid independence verification values 表表 3.网格无关性验证数值 模型 类型 网格 类型 网格数量(万)推力系数 KTp 转矩系数 KQp 效率 0()TpTppTKKK实验值实验值 整圆模型 四面体 810 0.3730 0.07729 0.0158 3.9%三分之 一模型 149 0.1230 0.02508 0.0161 4.9%258 0.1257 0.02554 0.0161 2.8%373 0.1272 0.02578 0.0162 0.6%638 0.1298 0.02636 0.0161 0.4%多面体 3
23、2 0.1280 0.02599 0.0161 1.0%54 0.1230 0.02508 0.0161 4.9%实验值 0.3879 0.07182 为确保网格不影响计算结果的准确性,本文进行了网格无关性验证,对单桨模型进行数值模拟。J=0.02 时的反向推力系数 KTp和转矩系数 KQp见表 3。根据文献14的结果表明,当面网格尺寸相同时,六面体网格的收敛性最好,同时计算所用时间和占李阳 等 DOI:10.12677/app.2024.144029 249 应用物理 用内存都最少,多面体网格收敛最快,计算效率上略低于六面体网格,四面体网格的计算效率和收敛精度最低14。考虑到计算效率和准确性
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