周軍偉,梅 蕾,倪豪良

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 船舶與海洋工程學(xué)院，山東 威海 264209)

大尺寸螺旋槳空化引起槳葉非定常力的數(shù)值模擬

周軍偉,梅 蕾,倪豪良

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海) 船舶與海洋工程學(xué)院，山東 威海 264209)

對(duì)某實(shí)槳在均勻流場中的空化現(xiàn)象進(jìn)行模擬，采用基于混合網(wǎng)格的Ansys/CFX對(duì)流場進(jìn)行求解，結(jié)果顯示，由于所處位置的靜壓力不同，不同槳葉的空化程度差異顯著，空化面積出現(xiàn)周期性變化；在空化初期，槳葉非定常力不明顯，而隨著空泡數(shù)的減小，槳葉非定常力幅度逐漸增大，說明實(shí)槳尺度對(duì)槳葉空化的激振力具有較明顯的影響。

螺旋槳空化；槳葉非定常力；均勻流場；靜壓力差

螺旋槳工作時(shí)擾動(dòng)來流，不可避免地引發(fā)噪聲，尤其是當(dāng)空化發(fā)生后，噪聲明顯提高。引起空泡噪聲的主要因素有空泡的生成與潰滅[1]，以及空泡導(dǎo)致的槳葉表面壓力脈動(dòng)[2-5]。然而，空泡導(dǎo)致的槳葉表面壓力脈動(dòng)不僅直接輻射噪聲，也會(huì)激勵(lì)槳葉振動(dòng)而引發(fā)槳葉振動(dòng)噪聲。但到目前為止，關(guān)于空泡引起的槳葉振動(dòng)噪聲少見報(bào)道。

目前，槳葉振動(dòng)噪聲問題的分析方法主要有2種：①考慮流場和槳葉之間的耦合作用，而忽略流場和聲場的耦合作用[6-8]。事實(shí)上，由于流場和聲場的特征速度相差較大，這樣的處理是合理的。②對(duì)流場、聲場及槳葉響應(yīng)單獨(dú)進(jìn)行分析[9-15]。這種方法僅適用于槳葉所受非定常力的頻率與槳葉固有頻率相差較大的情況。為此，本文即從流場和槳葉的單獨(dú)響應(yīng)分析出發(fā),考慮到實(shí)際中大尺寸的螺旋槳，其工作過程中由于不同深度位置的靜壓力差別較大，其槳葉空化程度可能會(huì)隨螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生周期性的變化，進(jìn)而會(huì)引起槳葉上的非定常力的變化，對(duì)槳葉噪聲產(chǎn)生影響，采用數(shù)值方法，模擬了一臺(tái)實(shí)槳在空泡發(fā)生后的槳葉所受非定常力情況，并對(duì)其受力特征進(jìn)行了分析，探討了大尺寸螺旋槳槳葉位置靜壓力變化對(duì)槳葉非定常力的影響，對(duì)實(shí)槳空化噪聲的研究提供基礎(chǔ)。

1 槳模

所用的是一臺(tái)直徑3.55 m的螺旋槳，采用非等螺距設(shè)計(jì)，其0.75R處的螺距比為0.803。螺旋槳外觀見圖1，其槳葉幾何參數(shù)見表1。

圖1 槳模外觀

r/RLchord/DLskew/DP/D0．180．1840．0000．7670．200．190-0．0030．7720．230．198-0．0060．7770．250．206-0．0100．7830．280．215-0．0140．7880．300．223-0．0170．7920．350．239-0．0240．8010．400．256-0．0300．8100．500．288-0．0380．8200．600．315-0．0350．8180．700．329-0．0150．8110．750．3310．0010．8030．800．3250．0210．7890．850．3090．0460．7680．900．2810．0740．7370．950．2340．1050．7030．980．1840．1210．6850．990．1280．1320．674

注：Lchord-弦長；Lskew-翼型偏離弦向中點(diǎn)的距離。

為了方便數(shù)值模擬，其幾何模型進(jìn)口端也采用了導(dǎo)流罩的設(shè)計(jì)。

2 計(jì)算設(shè)置

為了模擬實(shí)際的螺旋槳工作環(huán)境，即槳葉在最上方位置時(shí)的環(huán)境壓力較低，而在最下方位置時(shí)的環(huán)境壓力較高，計(jì)算中計(jì)入了位置的影響。螺旋槳轉(zhuǎn)軸沿水平方向，不同深度h下的環(huán)境壓力按p=p0+ρgh計(jì)算。由于槳葉的浸深在轉(zhuǎn)動(dòng)過程中隨時(shí)間不斷變化，其空化程度也是不斷變化的。計(jì)算中通過改變槳軸浸入深度來調(diào)整空泡數(shù)。

整個(gè)流域網(wǎng)格分為無窮遠(yuǎn)處的靜止域和螺旋槳周圍的轉(zhuǎn)動(dòng)域2部分，通過滑移面連接。槳葉表面采用混合網(wǎng)格，見圖1，其在導(dǎo)邊、隨邊、槳梢和根部導(dǎo)圓位置采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，而在槳葉表面和輪轂表面采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，這樣能夠保證在較少的網(wǎng)格數(shù)下實(shí)現(xiàn)對(duì)邊緣流動(dòng)的更精確模擬。槳葉表面第一層網(wǎng)格設(shè)置為10-5。靜止域和轉(zhuǎn)動(dòng)域的整體網(wǎng)格見圖2。在定常情況下的計(jì)算性能和實(shí)驗(yàn)性能的對(duì)比見圖3，二者結(jié)果基本吻合。

圖2 計(jì)算域的網(wǎng)格

圖3 螺旋槳性能試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比

為了分析不同空泡數(shù)下的槳葉受力情況，螺旋槳在固定轉(zhuǎn)速和進(jìn)速下工作，轉(zhuǎn)速為4.6 r/s，進(jìn)速Va=8 m/s，此時(shí)進(jìn)速系數(shù)J=0.49，推力系數(shù)kt=0.177，轉(zhuǎn)矩系數(shù)kq=0.023，敝水效率ηo=60.0%。計(jì)算中首先是無限水深下的模擬，得到無空泡性能，而后逐漸減小槳軸浸深，得到不同空泡數(shù)下的流場和槳葉受力情況。不同槳軸浸深hs下的空泡數(shù)σ見表2?？张輸?shù)定義為

(1)

式中：p0按105Pa計(jì)；pv按3 280 Pa計(jì)；水的密度ρ為997 kg/m3。

表2 槳軸浸深與對(duì)應(yīng)空泡數(shù)

3 結(jié)果與分析

3.1 空泡數(shù)對(duì)性能的影響

不同空泡數(shù)下的螺旋槳推力系數(shù)kt和ηo效率見圖4。可以看出，隨著空泡數(shù)的增大，槳葉空泡現(xiàn)象將逐漸消失，但其推力并不是單調(diào)增加，而是存在一個(gè)最大推力點(diǎn)，該螺旋槳最大推力出現(xiàn)在σ=0.146的位置。這種現(xiàn)象與文獻(xiàn)[16-17]的計(jì)算結(jié)果十分類似，其結(jié)果也在σ=0.183的位置出現(xiàn)一個(gè)效率最高點(diǎn)。出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因可能是空泡避免了槳梢吸力面壓力的進(jìn)一步降低，減小了葉背與葉面的壓力差，從而減輕了繞流損失，而此時(shí)空泡本身引起的損失較小。而隨著空泡的繼續(xù)發(fā)展，空泡損失變得更大，螺旋槳性能開始降低。

圖4 J=0.49時(shí)不同空泡數(shù)下的推力系數(shù)和敝水效率

3.2 槳葉表面空泡情況分析

圖5展示了空泡數(shù)σ=0.146時(shí)，處于不同位置的各個(gè)槳葉上的空泡面積，深色為空化區(qū)域，淺色為未空化區(qū)域?？梢钥闯?，0°槳葉浸深最小，其空化面積最大，而180°槳葉浸深最大，其空化面積最小。槳葉位置對(duì)實(shí)槳空化的影響十分明顯。

圖5 σ=0.146，J=0.49時(shí)槳葉吸力面的空泡區(qū)域

90°與270°槳葉雖然浸深相近，但二者并不完全對(duì)稱，其空泡形狀略有差別。各空泡數(shù)下不同位置的槳葉空化情況見圖6。在空泡數(shù)較低的幾個(gè)工況下，包括σ=0.108、σ=0.131、，90°與270°槳葉空化區(qū)域都有明顯的差別，而在空泡數(shù)較大的幾個(gè)工況下，包括σ=0.183、σ=0.257，二者的空化區(qū)域基本相同。

圖6 不同空泡數(shù)下、不同位置槳葉上的空化情況

從圖6中還可以看出，在較小空泡數(shù)的幾個(gè)工況下，0°與180°槳葉的空化面積差別明顯；而在較大空泡數(shù)的幾個(gè)工況下，二者差別較小。從以上分析可以得出，重力對(duì)不同槳葉空化的影響主要發(fā)生在空泡數(shù)較低、空化現(xiàn)象較劇烈的情況下，而在空化起始階段其影響較小。

3.3 激振力分析

3.3.1 幅度及周期分析

由于相同工況下每個(gè)槳葉的受力僅在相位上有所差別，圖7a)僅列舉了單槳葉在7個(gè)空泡數(shù)下的受力隨時(shí)間的變化。從圖7b)中可以看出，隨著空泡數(shù)的降低，槳葉上的激振力幅度越來越大，平均值逐漸降低，而周期基本不變。與圖6對(duì)比表明，槳葉上激振力隨時(shí)間的變化基本與槳葉表面空化情況相對(duì)應(yīng)。槳葉負(fù)荷受空泡面積的影響，在空泡數(shù)較小的情況下，槳葉表面空泡面積隨轉(zhuǎn)動(dòng)變化明顯，此時(shí)激振力較大，而在空泡數(shù)較大的情況下，槳葉表面空泡面積隨轉(zhuǎn)動(dòng)變化不大，因而激振力較小。由此認(rèn)為，當(dāng)空泡數(shù)較小時(shí)，實(shí)槳在空化情況下所受激振力主要受位置靜壓力差的影響，而在空泡數(shù)較大時(shí)，其影響并不明顯。

圖7 不同空泡數(shù)下的單槳葉所受軸向激振力

3.3.2 頻率分析

圖8給出了σ=0.108與σ=0.146 2個(gè)典型情況下槳葉所受激振力的頻譜分析，分別代表了較小空泡數(shù)和較大空泡數(shù)2種情況。從圖8可以看出，2個(gè)情況下的激振力頻率都主要集中在低頻段，且頻率與槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致。圖8b)中還存在1個(gè)高頻激振力，這可能是流場中湍流或非定常渦引起的。此外，圖8a)中僅存在1個(gè)頻率，這表明槳葉受力幾乎是正弦的，而圖8b)中存在1個(gè)二階頻率，更高階頻率則不明顯。

圖8 不同空泡數(shù)下槳葉所受激振力的頻譜分析

3.3.3 合力分析

以上分析的都是空化時(shí)槳葉軸向受力的變化情況，而在實(shí)際情況中，單個(gè)槳葉是在所受合力的作用下發(fā)生振動(dòng)的。為了對(duì)比單槳葉所受合力與軸向力隨時(shí)間的變化特點(diǎn)，給出4個(gè)空泡數(shù)下的對(duì)比見圖9?？梢钥闯觯瑔螛~所受合力的變化趨勢(shì)與幅度與軸向力基本一致，二者僅在平均值上有所差別，這也反映了槳葉所受激振力主要是軸向力分量的影響。

從圖9中還可以看出，隨著空泡數(shù)的增加，二者的平均值差值逐漸增大。由于槳葉受合力是軸向力和切向力的合成，可見隨著空泡數(shù)的增大，空泡對(duì)切向力的影響逐漸減小，切向力的恢復(fù)比軸向力要快，這一點(diǎn)也可以從圖4中效率逐漸提升的趨勢(shì)上看出。

圖9 軸向力(粗)與合力(細(xì))的對(duì)比

對(duì)比圖9中σ=0.108、σ=0.131與σ=0.146三個(gè)工況的槳葉受力變化曲線可以發(fā)現(xiàn)，在較小空泡數(shù)時(shí)，如σ=0.108，槳葉受力變化曲線近似為正弦曲線，即推力變化僅與所處位置有關(guān)；而在σ=0.131和σ=0.146，從圖9能夠明顯看出，推力增加較快而降低較慢，曲線不再是正弦曲線，這說明推力不完全由所處位置決定。由于推力大小與空泡面積相關(guān)，可以推斷空泡面積不完全由槳葉所處位置決定，或者說在螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，空泡面積的變化具有一定的遲滯性。

螺旋槳整體受力變化見圖10。由圖10可見，螺旋槳整體受力基本不變，即空泡對(duì)螺旋槳軸的非定常力作用很小。

圖10 螺旋槳全槳軸向力隨時(shí)間的變化

4 結(jié)論

1)槳葉位置靜壓力差對(duì)槳葉激振力有明顯影響，主要發(fā)生在空泡數(shù)較低、空化現(xiàn)象較劇烈的情況下，而在空化起始階段其影響較小。

2)單槳葉上軸向激振力振幅的變化基本與槳葉表面空化情況相對(duì)應(yīng)，激振力頻率都主要集中在低頻段，且頻率與槳葉轉(zhuǎn)動(dòng)頻率一致。

3)單槳葉所受合力的變化趨勢(shì)和幅度與軸向力基本一致，二者僅在平均值上有所差別，但該合力對(duì)螺旋槳槳軸作用很小。

本文僅針對(duì)某一大直徑的實(shí)槳展開，結(jié)論可能存在一定局限性。今后將對(duì)系列尺寸的實(shí)槳進(jìn)一步展開尺寸對(duì)槳葉空化非定常力的影響，并對(duì)其產(chǎn)生的噪聲進(jìn)行分析。

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Simulation of Unsteady Force on Blade Induced by a Scaled Propeller Cavitation

ZHOU Jun-wei, MEI Lei, NI Hao-liang

(School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Harbin Institute of Technology (Weihai), Weihai Shandong 264209, China)

The cavitations phenomenon of a real propeller in a uniform flow field was simulated, in which the convection field is solved by Ansys/CFX based on the hybrid grid. The results showed that the cavitation area of the propeller blades varies periodically with the static pressure at different position. At the early stage of cavitation, the unsteady force on blade is not obvious, but with the decrease of cavitation number, the unsteady force amplitude increases gradually. So the size of the real propeller has a significant effect on the exciting force of the blade cavitation.

propeller cavitations; unsteady force on blade; uniform flow; static pressure difference

10.3963/j.issn.1671-7953.2016.06.004

2015-12-18

國家自然基金(51309070)； 山東省科技廳項(xiàng)目(2013GGA10065)

周軍偉(1981—)，男，博士,副教授

U661.31；U664.33

A

1671-7953(2016)06-0015-05

修回日期：2016-05-26

研究方向:船舶推進(jìn)器性能研究、葉輪機(jī)設(shè)計(jì)及分析

E-mail:zhou_junwei@foxmail.com