螺旋桨非定常片空泡CFD数值方法研究.docx

螺旋桨非定常片空泡CFD数值方法研究韩宝玉，姜鹏，刘剑超，韩晨(海军觥空兵学院靓我机系,辽宁朗芦岛125001)摘Kt应用雷诺平均的N-S方程结合改进VoF空化模型模拟了螺旋桨非定常片空泡。应用全六面体网格对螺旋桨模型计算域进行了网格划分，数值it算中通过计算螺旋桨敞水性能对计算方法进行了验证。应用SSrSAS湍流模型及修正的VOF空化模型模拟了HGOl螺旋桨非定常片空泡，该数值方法对螺旋桨片空泡的发展过程和形状与实验结果吻合良好。关却&VOF空化模型：湍流模型：非定常片空泡中图分类号：U66L31文献标志码：ADOI10.13788<j.2015.Z.005NumericalStudyofPropellerUnsteadySheetCavitationUsingCFDMethodHANBao-yu,JIANGPeng,LIUJian-chao,HANChen(NavalAviationAcademy,DepartmentofCarrier-BasedAircraft,LiaoningHuludao125001,China)Abstract:PmpellerunsteadysheetcavitaionumsimulatedusingRenaultAVesgedNavier-StokesequationwithmodifiedVOFcavitationmodel.Inthenumericalmodeling,athree-dimensionalstructuredIiexahedmleshwasusedinallofEkUlatiemdo,HainqfPmPeHe般ThenumericalmethodmvalidatedbycalculatingtheopenwaterperfamanceofpnellenInthemodelingOfPrOPdlerimstauiysheetCaviiaion9SSTiSASturbulencemodeldmodifiedVOFcavitatiotfnodelwereusedTheCaICUIaiedresultsshouldthatthepredictedcaitygrowthandshapeagreeiwwithexperimentaldata.Keywords:VOFCavitationnxlel;SST-SASturbulencente!;unsteadysheetavi!aion(1)0引盲当螺旋桨在船后运行时，船后的非定常流场会导致空泡在螺旋桨叶片转动中反复出现和溃灭，这种现象对螺旋桨的危害很大，不仅会引起振动和噪声还会造成桨叶出现剥蚀。因此，在螺旋桨设计中要尽量避免这类空泡的发生.在螺旋桨设计中，应用数值方法计算空泡特性已经成为揖要的辅助手段，了解这种非稳态空化的特性进而通过数值方法模拟空化脉动过程是很有意义的。势流理论方面，熊鹰等川应用面元法预报r螺旋桨非定常片空泡发展过程及其体枳脉动，得到了有意义的结论.然而，空泡的脱落是非常攵杂的黏性问题，应用势流理论是无法求解的。要解决这个问题，必须应用粘性流理论.经过对粘性流理论中用到的空化模型进行大量研究内1,近年来应用RANS方法模拟螺旋桨片空泡得到迅速发展口必，应用适当的空泡模型加上特殊的网格处理模拟出的非定常空泡形状与实验观测结果吻合较好。本文应用文献11脸证的非定常空泡的方法对螺旋桨模型非定常空泡进行了数值模拟，并将计算结果和实验结果进行r对比.1败防化混合相由液相、汽相和不可压离散气体三部分组成。假定混合相速度相同，其控制方程为：詈+?（叫）=。(PUjM1)=-(2)收稿日期：2OI5Ol-22;修回日期：2015-02-05作者简介：韩宝玉（I981-）,男，博士,讲师,研窕方向：流体力学和舰载机理论，3清流横生及边界条件图I蟆屣桨HGol1 批注(yangl:式2中P的含义是什么,-批注Wang2:式中未提到图2螺旋桨内计算域-二批注yan83: S的含义一 批注Wang4:其他前面未提到的参数的含义混合相密度：p=：-：(3)O-Vrf-)a+yjpd+y./A把气体和液相看作一体(用下标用表示)，假定气体的质量分数为常数，其密度PIn可表示为：Pm=；-(If»#+)"A一中：b为密度；)，为质量分数：下标d表示离散气体：/表示水：1，表示汽相，.=Q.gQf该混合相的连续方程为：(Pman)+mu-am)=S1(5)Ctxf式中，k为体积分I。$=-ENA4“用Jl当上Sgn3-P)(6)式中，R是经验系数，用于修正气泡膨胀和收缩的速度。I在方程(4)(6)中，w，Rfr,人均为经验常数.根据文献口1,当卯0时,理100：当PT切时，/0.005。计算中认为”=1.3x(X?,=l×7m,2计算模型及网格划分计算对象为非均匀流中的五叶大侧斜螺旋桨HGOh为与实验一致，设定桨模直径£M).25m.船速进速系数A=I.094。图1为螺旋桨模型效果图。为了合理的模拟螺旋桨运动物理特性，使边界条件与试验更相符,本文建立的流域为圆柱形多计算域，外域进1与桨盘面距离为0.75D,以准确模拟非均匀来流对螺旋桨的影响，出口与桨盘面距离为8。，外国柱面直径为100内域前端与桨盘面距离为0.8R后端与桨盘面距离为5Q：外圆柱面直径为44由于桨疑形状对桨叶片空泡影响较小，本文用贯穿计算域的圆柱面对桨毂进行简化,有助于形成较高质量的网格。计算域如图2所示.在计算壁面边界层内流动时，女心湍流模型比Ae湍流模型更有优势。因此，当流场为定常流和非定常由于片空泡附着于桨叶表面，因此片空泡的数值模拟对边界层内网格质量要求较高.本文对螺旋桨计把域采用全六面体网格形式进行网格划分，首先对内域单个叶片流通域进行六面体网格划分，总体网格形状为HH形，桨叶附近区域网格形状为O形，堆叶片流通域的两侧周期性对称面网格划分形状完全相同，以保证生成整个内域网格时，两周期性对称面网格节点完全重合.为J'准确模拟桨叶边界层内流动，划分网格时保证桨叶壁面与第一层网格的无因次距离y+在1-10之间。外域网格形式为六面体网格，网格总数为220万，内域网格形式如图3所示。流时，计算应用的湍流模型分别为SSTk-湍流模型和SAS-SST湍流模型。在边界条件设置上，为了与实验一致，船速进速系数JA=U"D=1.094（口为船速），对应的螺旋桨旋转雷诺数吊尸”力V=1.25x1a。在计算空泡时，设定螺旋桨转速空泡数q=""一个，=1.508。设定进口和0,5pnD"外圆柱面为速度进口，方向为X轴向，来流为定常时,速度大小与旋转坐标系的转速设定值（旋转轴为X轴,旋转方向满足右手法则）满足上述雷诺数；来流为非均匀时，入口的速度分布通过剖面文件输入，入口处螺旋桨直径范围内轴向来流速度分布如图4所示.0.5R处桨叶叶背和叶面的压力系数分布图。从图6可以看出，当螺旋桨旋转£匕40°至冲寸，主桨叶导边处TI-二批注yan6:是否应为O34O低速区，从0.5K处叶背压力分布计算结果中可以看出图4进口处轴向速度分布4计算结果及分析为了验证数值计算方法的准确度，本文首先计算了均匀流中螺旋桨敞水性能。图5为螺旋桨敞水性征曲线计算结果与实验结果的比较。从计算结果中可以看出，本文采用的数值方法对敞水性能的预报结果与试验结果吻合较好，说明本文建立的模型和采用的数值方法用于计算螺旋桨性能是可信的。8/C（b）340°图6"R=05处桨叶剖面压力分布-一批注Wang刀:图中变般参量请用斜体在非定常计算中，时间步设定为0.000278s,对应 的螺旋桨旋转角度为2。，尽管在详细描述非定常片空 泡的变化发展时，该时间步设置得梢大，但在计算螺 旋桨低频离散谱噪声时,该时间步是满足设计要求的。 在计算非定常空泡前，首先对无空泡螺旋桨非定常流 场进行了数值模拟。图6为主桨叶旋转到0% 340。时本次计算选用的螺旋桨模型空泡性能优良，在计算工况下，螺旋桨叶背出现片空泡的范围较小，对数值模拟的精度要求较高。图7为应用修正前后的VOF空泡模型模拟的0。、20°、40。、3400时主桨叶叶背片空泡形状与试验结果对比图，图中空泡形状为水汽体积分数尸0.1的等值面.由于计算中对桨毅进行了简化处理，叶根处模拟出的空泡不予考虑。从图中可以看出，修正后的空泡模型有效改进了计算结果，与试验结果较为吻合。空泡位置与试验结果存在一定差异，其原因可能是计算中给定的来流速度为试验中船后桨盘面处在未安装螺旋桨时的速度分布，与安装桨后的J-一,网1速度分布存在主版峥yag5）:图中变”量请用斜体I5雌本文应用RANS方法结合修正前后的VoF空泡模型对螺旋桨非定常片空泡进行了数值模拟，为后续根据空化发展过程中空泡体积脉动预报螺旋桨低频辐射噪声奠定基础.计算结果显示，修正后的空泡模型更准确的模拟出了螺旋桨非稳态空泡的形状和变化情(a)林正前()(b)修正后(F)(¢)试肠结果(OO)(d)修正前(2(尸)®修正后(20。)(0试验结果(2(H(g)修正前(4(F)(h)处正后(4(F)(i)试验结果(40。)0)修正前(34(T)(k)修正后(340。)(I)试检站果(340o)图7空泡形状计算结果对比图lKubotaA,KatoH,YamagutiH.ANewModelingofCavitaiingFlows:ANuiiiericalStudyofUnsteadyCavitationonaHydrofoilSoctionJ.JournalofFluidMechanics.1992.240:59.96.2XIONGYingqYEJin>ming.WangDe-xun.PredictionofUnsteadyCavitationofPropellerusingSurfacePanelMe(hodJ).JoHrnah)fHydtvdymimics.2005.17(1):43-49.13李斌，洪方文，彭晓星.二维水K局部空泡脱落特征数值研究川.水动力学研究与进展,2008,23(4):412-418.4SinghalAK.AthavaleMM,LiHYaal.MathematicalBasisandVaIidaIionoftheFullCavitauonModelJ.JournalofFhudsEngineering.2002.124:617624.5ZhouLJ.WangZW.NumericalSimulationofCaviiationaroundaHydrofoilandEvaluationofaRNGk-ModclJ.JournalofFluidsEngineering.2008,130:1-7.6BakirF,RcyR,GcrbcrAGNumericalandExperimentalInvestigationsoftheCavitatingBehaviorofanInducerfJ).buenatiofalJournalofRotatingMachinery,2(XM,10:15-25.7KinwraK.KawanwraT.FujiiA.etal.StudyonUnsteadyCavitatingFlowSimulationaroundMarinePpellerusingaRANSCFDCodeCV/Proceedingsofthe7thInternationalSymposiumonCavitaiion.2009.8Sa(OK,OshimaA,EgashiraH,etal.NumericalPredictionofCavitationandPressureF1uctuatkmaroundMarinePropclIcrIC/Proceedingsofthe7thInternationalSymposiumonCavitation.2009.9SipihT.SiikonenT,SaistoLeal.CavitatingPnopelterFlowsPrediciedbyRANSSolverwithSlmctunxiGridandSmallReynoldsNumberTurbulenceModelApproachC/Proceedingsof(he7hInternationalSymposiumonCavitation.2009.10HasuikcN,YamasakiS.AndoJ.NumericalStudyonCavitacionErosionRiskofMarinePropcllcnvOperatinginWakeFloWCWProceedingsofthe7hInternationalSymposiumonCaviution.2009.11韩宝玉.熊鹰.陈双桥对:维翼空化流动的数值模拟Ul.水动力学研究与进展,2009,24(6):740746.收稿日期：2015-01-22：修回日期：2015-02-05作者简介：帏宝玉(1981-),男，博士，讲师.研究方向：流体力学和舰戒机理论.作者简介：韩宝玉(1981.06),男，博士，讲师。主要研究方向为流体力学和舰载机理论地址：兵学院舰载机系邮编：125001电话：，Email：