高 慧韓 強姚震球
(1.江蘇科技大學 船舶與建筑工程學院 張家港 215600;2.海鹽港航管理局 嘉興 314300)
在對螺旋槳與艇體相互影響的研究中,如果單獨對螺旋槳或者艇體流場進行數(shù)值仿真均無法準確預報他們之間的相互關(guān)系[1],而本文采用FLUENT軟件對艇體尾部螺旋槳的粘性流場進行數(shù)值分析計算,采用SST湍流模型。在交界面處采用混合面和滑移網(wǎng)格兩種處理方法,對螺旋槳和艇體粘性流場進行數(shù)值模擬,比較光艇與含有螺旋槳情況下摩擦阻力的差異,并與ITTC1957公式進行比較,來驗證結(jié)果的準確性,從而揭示真實螺旋槳和艇體之間相互作用的內(nèi)在規(guī)律。
采用混合面和滑移網(wǎng)格模型進行螺旋槳/艇體流場的整體計算。
圖2中a和b分別為采用混合面法和滑移網(wǎng)格法對螺旋槳區(qū)域和艇體區(qū)域的交接面,它們的交接面網(wǎng)格并非完全配合。
本文采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的混合網(wǎng)格。主艇體及尾流場大部分區(qū)域采用O-H型多塊結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,即橫向為O型網(wǎng)格、縱向為H型網(wǎng)格,如圖3所示;而在螺旋槳計算區(qū)域附近使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,在靠近物面處網(wǎng)格加密,離壁面第一個網(wǎng)格的離壁距離為10-3艇長。船體區(qū)域網(wǎng)格單元數(shù):
軸向×橫向×周向=130×80×40。
對于艇體尾部的螺旋槳幾何曲率比較大,如果生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,則可能產(chǎn)生負體積,故采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格替代[2]。結(jié)構(gòu)與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格之間采用設置交界面的形式連接。其中潛艇主附體區(qū)域均為結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格,見圖4;螺旋槳區(qū)域為非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,見圖5;結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格通過設置交界面的形式來連接,見圖6。其中左邊是使用混合面的方法,右邊使用滑移面的方法。
由于螺旋槳剖面是從中部開始到葉梢不斷縮小的,葉稍附近槳葉剖面弦長很小,厚度幾乎為0??紤]到螺旋槳幾何的上述特點,為了生成高質(zhì)量的網(wǎng)格,故在此將葉梢處切掉一小塊[3]。
本章選取的計算雷諾數(shù)為Re=1.61×107。計算區(qū)域為艇艏上游一個艇長的位置,船尾向下游延伸兩個艇長處,中軸線向左右各延伸一個艇長的距離。
由于包含螺旋槳的計算流場左右不對稱,因此計算區(qū)域必須包含整個艇體。應用混合面模型,由于周向物理量是做平均化處理的,結(jié)合本文為四葉槳,因此計算范圍可只考慮1/4流場。而應用滑移網(wǎng)格模型時,由于在交接面上采用插值處理的方式,故螺旋槳區(qū)域采用全槳全流道模擬,見圖7。
本文計算邊界條件的設定為:計算區(qū)域的邊界分為入口邊界、出口邊界、遠場邊界以及物面。入口邊界根據(jù)艇模航行速度指定入口速度,出口邊界給定靜壓條件,其壓力等于參考壓力,在外邊界上同樣使用速度進口條件,潛艇外表面設定為無滑移條件。另外還要設定螺旋槳區(qū)域的旋轉(zhuǎn)速度,指定旋轉(zhuǎn)軸。在螺旋槳區(qū)域和艇體區(qū)域的交接面兩側(cè)對于混合面法分別設定壓力進口和壓力出口條件,而使用滑移面法其交接面設定為Interface類型[4]。對一般的三維復雜流場區(qū)域,計算模型的幾何表達和計算區(qū)域的網(wǎng)格劃分,將花費整個計算過程一半左右的時間。
本章采用有限體積法(FVM)對控制方程在時間和空間上進行離散,將其轉(zhuǎn)化為可計算的代數(shù)方程。有限體積法是在每個計算單元上對控制方程進行積分,離散后的方程體現(xiàn)了在每一個計算單元上的流場參數(shù)。時間離散包括每一項在一個時間步長內(nèi)不同方程的積分。壓力項采用二階中心差分格式,其他項采用二階迎風差分格式。非定常湍流計算采用二階隱式時間推進法。代數(shù)方程求解時采用亞松弛迭代,壓力速度耦合迭代采用Simple算法,湍流模式選用 SST κ-ω。
潛艇在水下航行時所受的總阻力為流體作用力沿運動方向的合力,它主要由作用在潛艇表面的摩擦阻力和艇體首尾壓力差產(chǎn)生的粘壓阻力組成。摩擦阻力系數(shù)和粘壓阻力系數(shù)定義如下:
表1為計算所得到的帶與不帶螺旋槳情況下的潛艇阻力系數(shù)以及使用ITTC1957公式得到的摩擦阻力系數(shù)比較。
表1 采用混合面法的艇體阻力系數(shù)比較
從表1可以看出,對于帶槳或者不帶槳的潛艇,其數(shù)值計算得到的摩擦阻力基本保持不變,計算得到摩擦阻力系數(shù)和ITTC1957公式預報值非常接近,說明螺旋槳在艇尾部工作對艇體表面的摩擦阻力的影響并不明顯。之所以存在細微差別,是由于艇體尾部的水流速度增大,使摩擦阻力有所增加。
光艇阻力系數(shù)與ITTC1957公式存在差異的主要原因是ITTC1957公式按“平板假定理論”得出,沒有考慮到潛艇首尾表面線型的變化。另外考慮到螺旋槳在旋轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生推力,使得它與光艇的壓差阻力相比,帶槳艇體壓差阻力增加了73.51%,總阻力增加13.37%。壓差阻力的明顯變化主要是由于艇體尾部壓力的明顯增加。從下頁圖8和圖9可以看出,含有螺旋槳的艇體尾部的壓力系數(shù)相對光艇而言降低明顯,反映了艇體尾部和螺旋槳之間存在相互影響。
采用時間步進獲得非定常流動,時間步長取為0.002 s,迭代至4.1 s開始,作用于艇尾部的螺旋槳升力系數(shù)隨時間呈周期性變化,我們認為此時已達到穩(wěn)定的解[5]。
圖10為沿艇體表面壓力系數(shù)積分的收斂歷程,表2為采用混合面方法和滑移網(wǎng)格方法時的潛艇總阻力系數(shù)、壓差阻力系數(shù)以及摩擦阻力系數(shù)的比較。
表2 采用混合面和滑移網(wǎng)格方法的艇體阻力系數(shù)比較
從圖10和表2可以看出,螺旋槳的旋轉(zhuǎn),不會引起艇體表面摩擦阻力的變化,而壓差阻力變化卻很明顯。采用混合面法和滑移網(wǎng)格法所得結(jié)果基本接近,只不過采用滑移網(wǎng)格法更能夠反映螺旋槳在轉(zhuǎn)動過程中各項阻力系數(shù)的波動。
本文應用周向平均的混合面法和滑移網(wǎng)格的方法,對螺旋槳/潛艇粘性流場進行了整體數(shù)值模擬。完成了艇體尾部繞流計算后,比較了不帶槳和帶槳情況下的摩擦阻力系,并且與ITTC1957公式作了比較,結(jié)果較吻合。本研究工作將進一步向工程應用方面發(fā)展,以產(chǎn)生經(jīng)濟效益。
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