導(dǎo)管槳尾渦演化DES模擬分析.docx

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1、導(dǎo)管槳尾渦演化DES模擬分析摘要：基于DES模型對(duì)不同進(jìn)速系數(shù)下某導(dǎo)管槳尾渦結(jié)構(gòu)演化進(jìn)行數(shù)值模擬，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)完成導(dǎo)管槳敞水性能數(shù)值計(jì)算。通過對(duì)導(dǎo)管槳尾流場(chǎng)及尾渦空間結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)：低進(jìn)速系數(shù)狀態(tài)下導(dǎo)管槳產(chǎn)生更強(qiáng)的流動(dòng)擾動(dòng)，相鄰梢渦間產(chǎn)生的二次渦系與梢渦系產(chǎn)生相互干擾與融合，導(dǎo)管內(nèi)壁區(qū)和槳轂區(qū)域渦強(qiáng)遠(yuǎn)大于其他區(qū)域；高進(jìn)速系數(shù)狀態(tài)下尾流剖面中產(chǎn)生連續(xù)的橢圓狀渦結(jié)構(gòu),導(dǎo)管外壁區(qū)域產(chǎn)生不規(guī)則脫落渦導(dǎo)致梢渦軌跡為非規(guī)則螺旋線。導(dǎo)管槳尾渦結(jié)構(gòu)與演化與獨(dú)立螺旋槳螺旋狀尾渦結(jié)構(gòu)存在明顯不同，葉片渦系、二次渦系及導(dǎo)管剪切層渦之間

2、的相互干擾程度隨著進(jìn)速系數(shù)的變化而變化。9目錄1.目的與背景32.數(shù)值模型建立32.1.螺旋槳模型33.數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析53.1.導(dǎo)管槳尾流場(chǎng)結(jié)果分析53.2.導(dǎo)管槳尾渦結(jié)構(gòu)分析64.結(jié)論791.目的與背景導(dǎo)管槳在諸多特種船舶及海洋工程中應(yīng)用十分廣泛，導(dǎo)管槳工作時(shí)會(huì)在導(dǎo)管內(nèi)壁產(chǎn)生附著渦進(jìn)而產(chǎn)生導(dǎo)管推力，由于導(dǎo)管與螺旋槳之間為近壁面相對(duì)運(yùn)動(dòng)問題，導(dǎo)管槳尾渦結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)測(cè)量和數(shù)值模擬均存在一定困難。DES方法能用相對(duì)較少計(jì)算資源提高計(jì)算精度，有助于對(duì)導(dǎo)管槳尾渦結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)場(chǎng)演變信息進(jìn)行更精準(zhǔn)的模擬。2.數(shù)值模型建立2.1.螺旋

3、槳模型數(shù)值計(jì)算中幾何模型為某動(dòng)力定位系統(tǒng)導(dǎo)管槳模型，螺旋槳為定螺距4葉槳，槳模直徑D=0.240m，轂徑比為0.190，盤面比為0.417，導(dǎo)管剖面為荷蘭MARIN設(shè)計(jì)的No.19A導(dǎo)管，葉梢間隙為2mm。參考坐標(biāo)系原點(diǎn)位于螺旋槳的幾何中心，順流方向?yàn)閄軸正向，丫軸、Z軸正向按右手定則確立。數(shù)值計(jì)算域?yàn)閳A柱形，計(jì)算域直徑為5D，長(zhǎng)度為10D。數(shù)值計(jì)算域分為旋轉(zhuǎn)域和靜態(tài)域兩部分，二者建立交界面完成數(shù)值信息傳遞。計(jì)算域邊界條件設(shè)定如下：進(jìn)口及外邊界為速度入口，出口為壓力出口，螺旋槳及導(dǎo)管為非滑移壁面。旋轉(zhuǎn)域采用多面體網(wǎng)

4、格進(jìn)行劃分，靜態(tài)域采用切割體網(wǎng)格進(jìn)行劃分，采用混合網(wǎng)格模式有助于提高數(shù)值計(jì)算精度，螺旋槳和導(dǎo)管物面設(shè)置棱柱層網(wǎng)格完成邊界層捕捉。此外，由于非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格在曲率大的區(qū)域網(wǎng)格質(zhì)量不高（比如葉梢、葉片的導(dǎo)邊和隨邊等），因此需要對(duì)上述區(qū)域的網(wǎng)格進(jìn)行更為精細(xì)的離散處理以提升網(wǎng)格質(zhì)量。導(dǎo)管槳的葉梢、導(dǎo)管間隙、梢渦區(qū)、轂渦區(qū)等區(qū)域網(wǎng)格進(jìn)行加密處理，最終計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約為951萬（背景域736萬，旋轉(zhuǎn)域215萬），9壁面Y+值控制在丫+<1范圍內(nèi)，滿足DES算法要求圖1幾何模型、計(jì)算域及網(wǎng)格化分（a）導(dǎo)管槳幾何模型（b）數(shù)值計(jì)算域及邊界

5、（c）中縱剖面混合網(wǎng)格（d）湍流模型與工況設(shè)定分析中以CFD軟件STAR_CCM+為計(jì)算工具，數(shù)值模擬為三維黏性、不可壓縮、常密度的非穩(wěn)態(tài)數(shù)值計(jì)算，應(yīng)用滑移網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)管槳的敞水性能試驗(yàn)數(shù)值模擬。DES模擬采用SIMPLE算法完成壓力-速度耦合方程的求解。其中，對(duì)流項(xiàng)通過二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，擴(kuò)散項(xiàng)通過中心差分格式進(jìn)行離散，時(shí)間項(xiàng)二階隱式格式離散，均采用Spalart-Allmaras湍流模型封閉N-S方程組。數(shù)值計(jì)算工況設(shè)定如下：進(jìn)速系數(shù)依次為J=0.1，0.3，0.5，0.7四個(gè)進(jìn)速,采用定轉(zhuǎn)速、調(diào)節(jié)進(jìn)速的方

6、式進(jìn)行計(jì)算，轉(zhuǎn)速n=11rps，迭代步長(zhǎng)設(shè)定為1°/step，內(nèi)迭代次數(shù)為次。導(dǎo)管槳雷諾數(shù)分布為3.43610fo1.數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析1.1.導(dǎo)管槳尾流場(chǎng)結(jié)果分析不同進(jìn)速系數(shù)下，導(dǎo)管槳尾流中縱剖面（X-Z平面）的瞬態(tài)誘導(dǎo)速度矢量分布、軸向速度分布、渦量分布體現(xiàn)出一定規(guī)律性?？v剖面平面內(nèi)相關(guān)物理量的無因次化準(zhǔn)則如下：X9軸坐標(biāo)定義為x/r，Z軸坐標(biāo)定義為z/r，無因次渦量為Vorticity/（VO/D）。其中，r為螺旋槳半徑，V0為進(jìn)流速度，Vorticity為渦量。低進(jìn)速系數(shù)（J=0.1，0.3）狀態(tài)下，導(dǎo)管槳對(duì)

7、尾流區(qū)擾動(dòng)較為劇烈，對(duì)整個(gè)尾流場(chǎng)加速作用明顯，導(dǎo)管槳尾流區(qū)速度遠(yuǎn)大于自由流區(qū)域，隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，導(dǎo)管槳尾流區(qū)與自由流區(qū)域速度差別逐漸模糊，但葉梢至導(dǎo)管內(nèi)側(cè)區(qū)域梢渦結(jié)構(gòu)明顯；進(jìn)速系數(shù)最大時(shí)，由導(dǎo)管引起的導(dǎo)管外側(cè)流動(dòng)加劇，梢渦結(jié)構(gòu)逐漸消失。此外，重載狀態(tài)下導(dǎo)管槳對(duì)尾流區(qū)的加速作用集中體現(xiàn)在尾流較近區(qū)域，高速流向自由流區(qū)域擴(kuò)散明顯；隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，導(dǎo)管槳對(duì)尾流區(qū)的加速作用逐漸減弱，葉梢的誘導(dǎo)作用導(dǎo)致尾流葉梢區(qū)域間隔出現(xiàn)高速流區(qū)。J圖2不同進(jìn)速系數(shù)下縱剖面渦量分布云圖圖2所示為尾流區(qū)縱剖面渦量分布云圖。低進(jìn)速系數(shù)狀

8、態(tài)下，導(dǎo)管槳導(dǎo)管內(nèi)壁區(qū)和槳轂區(qū)域渦量遠(yuǎn)大于其他區(qū)域，葉根處渦系分布明顯，但葉梢區(qū)域渦結(jié)構(gòu)分布雜亂；隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，葉梢與導(dǎo)管內(nèi)壁區(qū)域尾流中產(chǎn)生連續(xù)的橢圓狀渦結(jié)構(gòu)，轂渦渦強(qiáng)逐漸下降，葉根渦系逐漸模糊；高進(jìn)速系數(shù)狀態(tài)時(shí)，導(dǎo)管外壁區(qū)域產(chǎn)生剪切層渦，剪切層渦逐漸產(chǎn)生不規(guī)則的脫落渦，脫落渦與梢渦產(chǎn)生相互干擾，渦系分布無明顯規(guī)律。1.1.導(dǎo)管槳尾渦結(jié)構(gòu)分析圖3所示為