程洪凱，胡 義

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430063)

船舶螺旋槳是現(xiàn)代船舶應(yīng)用最廣泛的推進(jìn)器，作為船舶動(dòng)力裝置的重要部件之一，其性能的優(yōu)劣是船舶能否達(dá)到航行要求的關(guān)鍵因素[1]。船舶螺旋槳由主機(jī)提供動(dòng)力，通過螺旋槳的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力使船舶航行，提高螺旋槳的性能和效率，對船舶航行以及作業(yè)有著重要的意義。通過敞水實(shí)驗(yàn)對螺旋槳水動(dòng)力特性進(jìn)行研究，即螺旋槳性能預(yù)報(bào)問題:根據(jù)給定螺旋槳的幾何形狀和運(yùn)轉(zhuǎn)條件，預(yù)報(bào)螺旋槳水動(dòng)力特性系數(shù)[2]，為船機(jī)槳匹配提供理論基礎(chǔ)和依據(jù)，是船舶設(shè)計(jì)及航行主要參考條件之一。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法獲得螺旋槳水動(dòng)力性能成為主流方法，在保證計(jì)算精度的前提下大大縮短計(jì)算周期[3]。需要進(jìn)行不同進(jìn)速系數(shù)情況的仿真計(jì)算，重復(fù)設(shè)定邊界條件和模型修改，過程繁瑣復(fù)雜，需要一定的理論學(xué)習(xí)基礎(chǔ)和較高的CFD軟件操作水平。故提出將螺旋槳性能預(yù)報(bào)分析過程實(shí)現(xiàn)參數(shù)化設(shè)計(jì)的思路，螺旋槳性能預(yù)報(bào)分析過程中涉及到的各類尺寸值、條件設(shè)定值等，視為可變參數(shù)；流程中其他命令信息，視為不變參數(shù)。修改可變參數(shù)并對不變參數(shù)維持不變，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)螺旋槳的建模、計(jì)算，旨在降低工作量，提高工作效率。

本文選用功能強(qiáng)大、適用性更廣的Visual Basic語言[4]，以Visual Studio為工具，以ANSYS及Fluent為基礎(chǔ)，開發(fā)出參數(shù)化分析螺旋槳性能軟件，將不同處理模塊集成于一體，實(shí)現(xiàn)分析過程參數(shù)化。

1 螺旋槳性能預(yù)報(bào)分析

以某MAU型螺旋槳為例，進(jìn)行螺旋槳敞水下的水動(dòng)力特性分析，具體流程見圖1。

圖1 螺旋槳敞水特性分析流程

螺旋槳建模首先根據(jù)公式(1)，進(jìn)行坐標(biāo)參數(shù)轉(zhuǎn)換。然后將空間三維坐標(biāo)導(dǎo)入建模軟件，創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)，將關(guān)鍵點(diǎn)連成線生成復(fù)雜葉面，形成螺旋槳實(shí)體模型。三維模型導(dǎo)入到網(wǎng)格劃分軟件后，根據(jù)實(shí)際需要，對三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

(1)

式中：X、Y、Z分別為螺旋槳空間三維坐標(biāo)值；Ri為槳葉截面半徑；Y1為距母線距離；Z1為螺旋槳葉面和葉背切面坐標(biāo)值；θ為螺旋槳后傾角；φ為螺距角。

網(wǎng)格，即在計(jì)算區(qū)域內(nèi)一些列離散的點(diǎn)。計(jì)算流體力學(xué)通過將控制方程離散，使用數(shù)值方法得到網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上的數(shù)據(jù)(如速度、溫度、壓力等)，即數(shù)值解[5]。網(wǎng)格劃分的質(zhì)量、數(shù)量和合理性會(huì)直接影響計(jì)算效率與計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性[6]，網(wǎng)格劃分質(zhì)量對流體流動(dòng)的仿真模擬有很大影響。網(wǎng)格劃分完成后，網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent，進(jìn)行邊界條件設(shè)置和介質(zhì)選取。介質(zhì)選取是流域介質(zhì)，邊界條件設(shè)定，包括進(jìn)口速度、旋轉(zhuǎn)速度(槳的轉(zhuǎn)速)、選取旋轉(zhuǎn)軸和出口壓力設(shè)置等，進(jìn)口速度Va根據(jù)公式(2)計(jì)算得出。

(2)

式中：Va為螺旋槳進(jìn)速，m/s；D為螺旋槳直徑，m；nP為螺旋槳旋轉(zhuǎn)速度，r/s；J為進(jìn)速系數(shù)。

Fluent仿真計(jì)算后，可以得到一個(gè)力T和力矩Q的值，可以理解為在某一進(jìn)口速度情況下一組力和力矩的瞬時(shí)值[7]。根據(jù)公式(3)、(4)、(5)，可以計(jì)算出螺旋槳的推力系數(shù)KT和轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ以及敞水效率η。

(3)

(4)

(5)

式中：ρ為水的密度，kg/m3。

不同進(jìn)速條件下得出的螺旋槳推進(jìn)特性值，與試驗(yàn)結(jié)果對比，若誤差在允許范圍內(nèi)，則仿真計(jì)算符合相關(guān)工程要求，獲得螺旋槳敞水下的水動(dòng)力特性曲線。

2 軟件開發(fā)流程及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 ANSYS的數(shù)據(jù)傳遞及調(diào)用

作為有限元分析領(lǐng)域的主流軟件之一，ANSYS提供了多種二次開發(fā)工具和模塊，即APDL、UPFs、UIDL以及Tcl/Tk。本文通過調(diào)用APDL(ANSYS Parametric Design Language) 命令流，調(diào)用ANSYS完成前處理建模、網(wǎng)格劃分工作。實(shí)現(xiàn)螺旋槳建模過程的參數(shù)化設(shè)計(jì)，將輸入?yún)?shù)轉(zhuǎn)化為APDL命令流形式，使參數(shù)數(shù)據(jù)以命令流形式體現(xiàn)。

螺旋槳模型從模型創(chuàng)建到網(wǎng)格劃分，到后處理求解等操作均在ANSYS的不同模塊實(shí)現(xiàn)，因此成功調(diào)用ANSYS是實(shí)現(xiàn)該步驟的關(guān)鍵，調(diào)用代碼為：

Dim X As String

X = Shell("D:Program FilesANSYS

Incv170ansysbinwinx64

ANSYS170.exe -b -p ansys -i "

& TBoxGUI.Text & " -o ANSYSOUT.out")

軟件開發(fā)流程圖見圖2。

圖2 軟件開發(fā)流程

2.2 Fluent的數(shù)據(jù)傳遞及調(diào)用

2.2.1 Fluent的調(diào)用

目前，對于船舶螺旋槳性能預(yù)報(bào)的研究，有以下幾種研究方式，槳模實(shí)驗(yàn)法、數(shù)值理論分析計(jì)算法和計(jì)算流體力學(xué)(CFD)預(yù)報(bào)法。3種方法針對不同的角度進(jìn)行螺旋槳性能參數(shù)的研究，從而實(shí)現(xiàn)相互印證和補(bǔ)充，螺旋槳性能參數(shù)計(jì)算方法比較見表2。綜合各方面因素，也隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的長足發(fā)展，CFD技術(shù)逐漸成為主流途徑。

表2 螺旋槳性能參數(shù)計(jì)算方法比較

本文選取Fluent為后處理模塊，能否成功調(diào)用Fluent進(jìn)行仿真求解是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的關(guān)鍵步驟。通過以下方式實(shí)現(xiàn)調(diào)用：

1)運(yùn)行批處理文件(.bat)，喚醒Fluent軟件識別并讀取日志文件(.jou)，按照命令完成處理和計(jì)算。實(shí)現(xiàn)代碼如下：

Dim tempString As String

tempString =Application.StartupPath & "GoFluent.bat"

Process.Start(tempString)

批處理代碼：

"D:Program FilesANSYS Incv170fluentntbinwin64fluent.exe" 3d -i solve.jou

2)原理與上述調(diào)用ANSYS模塊相同，故此處不再做詳述。

2.2.2 ANSYS與Fluent的數(shù)據(jù)傳遞

Fluent能識別各類CAD/CAE軟件導(dǎo)入的網(wǎng)格文件，通過對導(dǎo)入文件的邊界條件設(shè)定、計(jì)算條件選取，完成對導(dǎo)入文件的計(jì)算求解。模型轉(zhuǎn)換流程見圖3。將已完成前處理操作的模型保存為.CDB文件。

圖3 ANSYS與Fluent模型數(shù)據(jù)傳遞流程

2.3 開發(fā)軟件與工程軟件數(shù)據(jù)交互

本文將螺旋槳模型輪廓尺寸以及基本參數(shù)保存為數(shù)據(jù)庫文件(.mdb)，軟件連接數(shù)據(jù)庫，作為軟件修改參數(shù)與工程軟件數(shù)據(jù)交互的橋梁，為實(shí)際模型建立、網(wǎng)格劃分以及仿真分析提供數(shù)據(jù)。本文參數(shù)修改值與工程軟件數(shù)據(jù)交互思路為：開發(fā)軟件參數(shù)修改界面與數(shù)據(jù)庫建立雙向讀寫連接，通過開發(fā)軟件調(diào)用ANSYS 或 Fluent讀取數(shù)據(jù)庫參數(shù)數(shù)據(jù)，自動(dòng)完成建模、畫網(wǎng)格及仿真分析等工作。

數(shù)據(jù)庫的連接、修改后的參數(shù)寫入以及參數(shù)數(shù)據(jù)文件的讀取，涉及到ADO.NET及SQL語言在.NET中的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)該功能的關(guān)鍵。本文以ACCESS數(shù)據(jù)庫作為讀寫對象，數(shù)據(jù)庫連接代碼如下：

Public connstr As String = "Provider=Microsoft.Jet.OLEDB.4.0;Data Source=" & Application.StartupPath & "database.mdb"

讀取數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)，完成建模、網(wǎng)格劃分以及仿真計(jì)算的工作，軟件將參數(shù)修改界面輸入的參數(shù)數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫，即完成對目標(biāo)模型幾何特征的修改及邊界條件設(shè)定。

3 實(shí)際算例計(jì)算與結(jié)果驗(yàn)證

本文以某MAU型螺旋槳為例，運(yùn)用常規(guī)CFD技術(shù)和本文提出的參數(shù)化分析思路分別對敞水下的螺旋槳水動(dòng)力特性進(jìn)行預(yù)報(bào)分析，得到2組計(jì)算結(jié)果，分別與螺旋槳實(shí)驗(yàn)數(shù)值進(jìn)行比較，橫向?qū)Ρ?種方法的誤差，驗(yàn)證該思路的可行性與科學(xué)性。參數(shù)化分析流程詳細(xì)操作見下文詳述。

3.1 螺旋槳ANSYS建模仿真及生成網(wǎng)格

在軟件參數(shù)修改界面，打開需要計(jì)算MAU型螺旋槳尺寸文件(.mdb)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表3，再按照表4，對相應(yīng)的模型幾何參數(shù)值進(jìn)行修改，即可完成螺旋槳建模。

表3 螺旋槳基本參數(shù)

表4 螺旋槳輪廓尺寸數(shù)據(jù)

根據(jù)相對運(yùn)動(dòng)原理，螺旋槳模型在軸向視為靜止，流體介質(zhì)以速度V相對于螺旋槳模型作相對運(yùn)動(dòng)；在周向，假定水域以一定速度旋轉(zhuǎn)，而螺旋槳保持靜止[8]。進(jìn)行螺旋槳敞水性能預(yù)報(bào)時(shí)，其流體數(shù)值計(jì)算流域應(yīng)該相對于螺旋槳的直徑是無限大的，能更精確的模擬螺旋槳在流體中的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)狀況。實(shí)際計(jì)算中，在兼顧計(jì)算精確性的同時(shí)減少計(jì)算量，將流體模型分為2部分，即內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域(即文中小域)和外部靜止域(大域)，小域相對大域進(jìn)行旋轉(zhuǎn)[9]。小域和螺旋槳視為整體，2個(gè)流場為相對靜止的運(yùn)動(dòng)關(guān)系，即小域和螺旋槳之間的相對速度為零。流場示意圖見圖4，圖中D為螺旋槳直徑。

圖4 螺旋槳流場示意圖及模型圖

本文采用分流域網(wǎng)格劃分方式。槳葉包含曲面較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，采用網(wǎng)格質(zhì)量較高的六面體網(wǎng)格對槳葉進(jìn)行劃分，加大網(wǎng)格密度；螺旋槳外旋轉(zhuǎn)域進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)會(huì)導(dǎo)致流場劇烈變化，采用四面體網(wǎng)格對旋轉(zhuǎn)域進(jìn)行劃分，適當(dāng)加大網(wǎng)格密度；大域主要模擬流體流動(dòng)，其網(wǎng)格要求略低，采用智能網(wǎng)格劃分方式，適當(dāng)降低網(wǎng)格質(zhì)量。這種網(wǎng)格劃分方式能提高計(jì)算精度，縮短計(jì)算時(shí)間。網(wǎng)格劃分命令流代碼如下：

esize,2

mshape,0,3d

mshey,1

vsel,s,volu,,2

vsel,s,volu,,1,3

vsel,s,volu,,4,5

vmesh,all

smartsize,8

vsel,s,volu,,6

vsel,s,volu,,7

cm,sphere,volu

vmesh,volu

3.2 Fluent仿真計(jì)算

將網(wǎng)格文件導(dǎo)入Fluent，進(jìn)行介質(zhì)選擇及邊界條件設(shè)定。本文選取穩(wěn)態(tài)(STEADY)情況，設(shè)定靜止域中流體工作介質(zhì)為海水，為不可壓縮流體。選擇RNGk-ε湍流模型；螺旋槳和槳轂為給定無滑移固壁條件，出口壓力為零，選擇PERSTO!離散方式，考慮該型螺旋槳實(shí)際工作狀況，進(jìn)速系數(shù)從0.2～0.7范圍依次選取。

3.3 計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證

根據(jù)上述設(shè)定條件，將獲得的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比分析，對比結(jié)果見圖5、圖6和圖7。

圖5 螺旋槳推力系數(shù)KT計(jì)算結(jié)果對比

圖6 螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ計(jì)算結(jié)果對比

圖7 螺旋槳敞水效率η計(jì)算結(jié)果對比

圖5、6、7計(jì)算結(jié)果對比分析，運(yùn)用參數(shù)分析方法進(jìn)行的螺旋槳性能預(yù)報(bào)結(jié)果，與常規(guī)CFD技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)之間的整體趨勢一致，且曲線吻合程度較高?？紤]到MAU型螺旋槳實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)狀況，當(dāng)KT、KQ和η在進(jìn)速系數(shù)J在0.2～0.7范圍之內(nèi)，計(jì)算得出最大平均誤差不超過2.98%。本文提出的參數(shù)化分析方法對螺旋槳的性能預(yù)報(bào)符合相關(guān)要求，在分析過程中，該方法能節(jié)約近40%的時(shí)間。

4 結(jié)束語

隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，船舶螺旋槳研究工作將會(huì)成為一個(gè)涉及多學(xué)科的研究方向。本文提出的將螺旋槳性能預(yù)報(bào)分析過程實(shí)現(xiàn)參數(shù)化，將多類工程軟件集成與一體，操作界面更加直接友好，能夠降低工作量，提高傳統(tǒng)CFD技術(shù)的計(jì)算效率。經(jīng)過上文實(shí)例計(jì)算驗(yàn)證，該思路在保證計(jì)算結(jié)果符合要求的同時(shí)，還能節(jié)約大量的時(shí)間，證明該思路具有一定的實(shí)際應(yīng)用和研究價(jià)值。

對于該思路的實(shí)現(xiàn)，本文尚存在一些不足之處。網(wǎng)格劃分參數(shù)化實(shí)現(xiàn)度較低，只能對不同域在孤立狀態(tài)下進(jìn)行網(wǎng)格劃分，過渡區(qū)網(wǎng)格并不能進(jìn)行自定義優(yōu)化，網(wǎng)格劃分結(jié)果理想度較差，會(huì)對計(jì)算結(jié)果造成一定的影響，尚需繼續(xù)攻克解決。