【数值模拟】基于改进体积力法的导管螺旋桨水动力性能

泡沫oO 2023年9月14日浏览：1004

基于机翼理论，分析导管水动力模拟失真的原因，并以质量流量和体积力分布模型为切入点，提出修正思想和方法；然后，采用 RANS 方法探究经质量流量修正后的 2 种体积力分布模型的模拟精度。

01数值模拟方法

采用 RANS 方法和 STAR-CCM+平台求解器开展基于体积力法的导管螺旋桨水动力性能研究。

（1）控制方程

对于三维定常、不可压缩的黏性流场，流体满足连续性方程和动量守恒方程：

（2）计算模型及网格划分

选取 Myring 型回转体和荷兰船模试验水池著名的 No.19A 导管作为研究对象。Myring型回转体和 No.19A 导管的几何外形图如图 1 所示。

图1 回转体和导管几何外形图

计算域及边界条件如图 2 所示。流体计算域为长方体和组合体之间的区域，长方体的长、宽、高分别为 80b（ b 为回转体平行中体长度），16b和 16b。图 3 所示为组合体的网格划分及加密图。

图2 计算域及边界条件

图3 组合体网格划分及加密图

02 改进螺旋桨体积力法

（1）质量流量修正

为实现质量流量修正，在计算螺旋桨进速系数时以校正进速系数替代常规进速系数J*。校正进速系数 J*的表达式为：

此处进行两点简化处理：一是仅考虑轴向诱导速度；二是诱导速度同时包含螺旋桨和导管所诱导的速度。

（2）体积力分布修正

对导管水动力性能影响较大的是导管壁面周围的流速分布。螺旋桨径向划分形式及各标准化半径下的桨体积力分布如图 4 所示。

图 4 导管螺旋桨径向划分形式及各标准化半径下的桨体积力分布

根据归一化桨体积力分布的特点，本文探究了 2 种体积力分布形式在导管螺旋桨水动力性能模拟中的适用性。

1）简单均布。

2）由于各进速系数 J 下归一化桨体积力值的变化趋势近似，择其一（取 J = 0.4 时的体积力分布）替代 Goldstein 最佳分布进行体积力分布修正。

03 实体导管螺旋桨敞水推力验证

对 No.19A+Ka4-70(P/D = 1) 导管螺旋桨进行数值模拟，将导管推力、螺旋桨推力等的仿真结果与试验值进行对比以验证计算方法的合理性。导管螺旋桨的几何模型和网格加密区域如图 5 所示。

图 5 No.19A+Ka4-70 (P/D = 1) 导管螺旋桨几何模型及网格图示

推力模拟结果及其与试验值的对比如表 1 所示。由表可见，随着网格数量的增大，螺旋桨推力系数和导管推力系数的相对误差整体上呈递减趋势。

表 1 导管螺旋桨推力计算方法验证

04 计算结果与分析

（1）基于改进体积力法的导管螺旋桨敞水水动力性能

使用经流量修正和分布修正的改进螺旋桨体积力模型对 No.19A+Ka4-70 导管螺旋桨进行敞水水动力性能数值模拟。总览图 6，发现经流量修正的均布形式的改进体积力法和经流量修正的分布 2 形式的改进体积力法所得导管螺旋桨的各参数皆与试验值吻合较好。

图 6 基于改进体积力法的导管螺旋桨敞水性能曲线对比

（2）基于改进体积力法的艇−导管螺旋桨耦合水动力性能

将导管螺旋桨体积力模型与实体导管螺旋桨模型搭配回转体后的仿真值进行了对比，以进一步研究艇后改进体积力法1和改进体积力法2的适用性。由图 7 可见，相较艇后实体导管螺旋桨工况，基于 Goldstein 分布方法、改进体积力法1和改进体积力法2的桨推力的平均相对误差分别为−12%，1.3% 和 14.0%。