艇体非均匀伴流场下螺旋桨压力场

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艇体非均匀伴流场下螺旋桨压力场马 超 ，肖 锋 ，张志谊 ，华宏星(上夯通大学 机械系统振动国家重点实验室，上海 200240)摘 要：基于计算流体软件Fluent，采用滑移网格，结合RNG湍流模型对艇体下的螺旋桨进行三维非定常湍流计算，分析螺旋桨周围压力场的变化特点，及对艇体的影响，获得螺旋桨转动-周过程中，螺旋桨轴承力的变化规律，为改进螺旋桨结构，降噪减振提供-些依据。

关键词：声学；螺旋桨；滑移网格；压力脉动；轴承力；非定常中图分类号：TH212 文献标识码：A DOI编码：10.3969/j.issn.1006.1335.2013.02.012Numerical Study on Pressure Pulsation near the Propeller withNon-uniform Wake FieldMA Chao，XIA0 Feng，ZHANG Zhi-yi，HUA Hong-xing(State Key Laboratory of Mechanical System and Vibration，Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240.China)Abstract：Based on software Fluent for fluid mechanics computation，applying sliding mesh technique and RNGmodel，the 3D unsteady turbulent flow near the propeller was simulated.The un steady force of the propeller was obtained。

The characteristic of pressure pulsation near the propeller and its influence on the tail of the hull were analyzed.Finally，variation of the bearing force in one revolution of the propeler was obtained and analyzed.The results can be applied to theimprovement ofpropeller structure and vibration reduction。

Key word：acoustics；propeller；sliding mesh；pressure pulsation；bearing force；un steady随着潜艇高速度、低噪声的要求，螺旋桨作为潜艇的主要推动源，受到越来越多的关注。螺旋桨周围的流体流动为复杂的三维非定常湍流，常伴有涡流，汽蚀，水力振动等现象，这些现象都可能导致螺旋桨周围水压力随时间不断快速变化，即出现压力脉动，影响到螺旋桨的稳定运行。因此，为了提高螺旋桨运行的稳定性及艇的隐身性，对螺旋桨周围流场压力脉动的研究已成为潜艇研究的热点之-。

对于螺旋桨非定常力的研究，通常分为理论研究，试验研究和数值研究三类，2005年，胡健 在用面元法计算螺旋桨非定常水动力性能的基础上，利用奇点分布的方法计算了船尾脉动压力。黄红波，陆林章等 利用六分力天平测量了不同浸深比下半浸式螺旋桨的非定常力。随着计算流体力学技术能的蓬勃发展，利用CFD软件来进行螺旋桨水动力性的研究变得越来越普遍，傅慧萍 [31通过FLUENT软件计算了螺旋桨推力的脉动情况，但通过CFD方法直接计算获得螺旋桨轴承力六分量方面的文献还不多见。

本文采用FLUENT提供的滑移网格 模型，利用三维Navier.Stokes方程和RNG湍流模型，对整艇下的螺旋桨进行了非定常数值模拟，得出螺旋桨周围流场压力分布的主要特点，并通过积分得到螺旋桨轴承力六分量的脉动特性，为改进螺旋桨结构，降低运行时的噪声和振动提供依据。

1 控制方程与湍流模型选取收稿日期：2012.05-09；修改 日期：2012.06-10作者简介：马 (1982-)，男，江苏省常州溧阳人，博士研究 假定流体是不可压的，则流场的连续方程和动生，目前从事机械结构振动和流体动力学方面研 量方程分别为-Oui： 0 (1)E-mail：mchao8210###163.com d ，2013年4月 噪 声 与 振 动 控 制 第2期p - OP 腿p lr 0uOxi])- (2)式中 ，uj为速度分量时均值( ， 1，2，3)，P为压力时均值，P为流体密度， 为流体粘性系数，g 为重力加速度分量，p-ui4为雷诺应力项。由于方程中雷诺应力项属于新的未知量，要使方程封闭，必须对应力项作某种假设，或引进新的湍流模型方程，把应力项中的脉动值与时均值联系起来。

YanhotI]Orszag 把重整化群(RNG)方法引入到湍流研究中建立了-个新的湍流模型，其方程如下毒( )专 鸶]G p c3去(腿 )专 鸶)譬G -c p(4)式中 /z/z ， P 等， 0.084 5，Ot 1.39，c ，Cle 1.42'c2 68，叼隔考 1(Ou·差]，%4.37，80.0122 计算模型及计算方法2.1几何模型计算所用模型为SUBBOFF潜艇模型，艇体总长为4.356 7 m，指挥台前缘位于0.924 1371处，围壳长0.368 m，4个尾翼剖面为NACA0018，对称布置与艇尾部，艇模的具体型值见文献[8]，螺旋桨在艇体的安装位置为lL0.9704，L为艇体长度。坐标原点设置在桨叶中心， 轴方向代表来流方向，沿着螺旋桨的旋转轴指向下游，'，轴铅直向上 ，Z轴 利用右手定 则确 定 。模 型所用桨 为DTMB4119三叶桨，直径D2R0.25 13，整个艇体模型见图12.2 网格划分及计算方法网格质量直接决定计算的收敛性、效率和精度，本文计算区域从艇首向上游延伸-个艇长，从艇尾向后延伸两个艇长，远场圆柱侧面边界距离中心线为艇体最大直径的4倍，计算区域包括整条艇体，见图(2)。由于旋转区域螺旋桨形状复杂，若生成结构Z图 1 Suboff艇体三维模型视图Fig.1 Three dimensional model of Subof hull图2计算域网格划分Fig.2 Mesh of computational domain化网格，易出现负体积，故采用适应性较好的非结构网格划分。流动区域之间通过网格交界面相互连接。计算过程中，随着计算时间的推进，流动区域沿网格交界面作相对滑移运动，通过网格界面的通量由网格交界面相交的部分来计算。

采用 SIMPLE求解不可压缩流体时均N-S方程，选用RNG湍流模型封闭方程组，壁面采用标准壁面函数处理，进口采用速度进口边界条件，出口为自由出流边界条件，流场的非定常计算分为两步计算，首先进行的是模型的定常计算，然后进行非定常计算，其中定常计算的结果作为非定常计算的初始条件，检测监测点处的压力场是否满足周期性要求，如 果 满 足 ，计 算 收 敛 。 本 文 设 置 时 问 步 长At3.125×10～s，即每个时间步螺旋桨旋转 1.8。，其旋转-周需要200个步长。

3 仿真结果分析在不同进速系数(J0.5-1.1)下，计算定常流动时的推力系数 和扭转系数 的模拟值与实验值对比，结果如图(3)所示，结果表明在模拟工况下的推力系数和扭转系数的误差在 8%之内，从总体上来看，模拟曲线图与实验结果曲线图基本吻合，说明该模拟方法能较准确地模拟螺旋桨的水动力特性，从而也证明了本文所选用的数值方法是可行的。

艇体非均匀伴流场下螺旋桨压力场 53O12OlO080誓60402OOI 2 3 4 0 1 2角府/de x0 频率/1 gree 角度 步叽毕/H图 7推力 压力脉动时域和频域图Fig.7 The time domain and frequency domain diagram ofpressure pulation中，推力 脉动量最大，其余两个分量约为该分量的0.6倍。在力矩脉动量中，扭转Mx脉动量最小，其它分量是它的3倍左右。其中横向力，垂向力，垂向弯矩和横向弯矩在-周内其方向-直有变化，时而向上，时而向下，但是波动并不大。由于篇幅所限，本文只给出了推力脉动压力的时域和频域图，从图中可以明显地看出推力在空间360。内具有明显的波动性，并且是叶频为主，其余未给出的五分量在时域和频域上也表现出相似的特性。

4 结 语基于Fluent模拟软件，应用RNG - 湍流模型和滑移网格技术，完成了艇体下螺旋桨的非定常计算，得出以下结论：f1)螺旋桨周围流场的压力呈现明显的非定常性，同-时刻桨舵之间各截面的压力变化差别很多，离螺旋桨越近，艇体表面周围压力变化越剧烈，但影响区域却越来越小，逐渐向内收缩。而在同-截面，不同时刻压力的变化却有很强的相似性。

(2)在螺旋桨轴承力中，各分力具有明显的波动性，且在-周中脉动具有周期性，在力脉动中，横向力 波动最小，而在力矩脉动中，扭矩脉动变化最小，这对桨轴设计是很有利的。在六个分量中轴向力脉动量最大。因此，对轴系及艇体的振动最大，需重点考 虑。