基于Fluent的泵桨联合推进性能分析

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(哈尔滨工程大学 船舶工程学院,哈尔滨 150001)

泵桨联合推进集合了喷水推进和螺旋桨推进的优点，既有低速时用螺旋桨推进，喷水推进只用于高速及紧急机动过程这样的设计，也有低速时采用喷水推进以提高舰艇低速时的机动性，正常航行仍采用螺旋桨推进的设计[1-5]。南非海军MEKO A-200型轻型护卫舰是目前少数使用泵桨联合推进的舰船之一，而国内尚无螺旋桨与喷水推进器混合使用作为推进方式的船舶。本文基于南非海军MEKOA-200型轻型护卫舰来研究泵桨联合推进的推进性能。其喷水推进器与螺旋桨分布见图1。

图1 MEKO A-200 推进系统布置

所选模型喷水推进器与螺旋桨的功率比和直径比与MEKOA-200相同，主要参数尺度见表1，螺旋桨选用可调螺距桨但计算时按照定螺距桨计算。

1 数值模拟结果验证

泵桨联合推进系统目前在国内尚无应用，也没有试验数据，无法进行数值模拟验证。但喷水推进器及螺旋桨技术较为成熟，且有大量的试验数据。可分别对喷水推进器及螺旋桨进行数值模拟，与试验数据比较来确保计算精度，保证泵桨联合推进数值模拟的可行性。

对喷水推进器流场计算进行网格划分时分进流段、动叶轮、导叶轮及出流段4个区域。由于喷水推进器的动叶轮及导叶轮的叶片形状不规则，进行网格划分时采用三角形网格面网格单元和四面体/六面体混合型体网格单元。叶轮及泵体之间生成了8层网格。对叶梢及导叶等区域进行局部网格加密。

1.1 Fluent相关参数设置

1)控制方程选取。由于本文计算内容为不可压缩流体流动问题，不考虑热交换，故在控制方程的选取中舍去能量方程，选取连续性方程和动量守恒方程。

2)湍流模型选取。目前，尚无普遍适用于各种工程问题的湍流模型，考虑湍流模型的应用范围，本文选用SST的k-ω二方程湍流模型。

3)差分格式选取。速度压力耦合方式采用SIMPLEC算法求解，使用默认的亚松弛因子。对于差分格式选取，各控制方程的离散格式均采用二阶迎风差分格式。

1.2 数值模拟结果与实验对比

从小流量到大流量计算多个工况点，得到流量与扬程、功率及效率的数值模拟结果和实验值，见图2～4。

图3 流量与功率数值模拟结果曲线和实验值曲线

图4 流量与效率数值模拟结果曲线和实验值曲线

由图2～4可见,利用CFD方法计算得到的喷水推进器轴流泵各项数据与实验值比较接近。产生误差的主要原因是在动叶轮与导叶轮内有明显的脱流现象存在，以后深入处理这个问题，现在主要考虑离体。三项数据中最大误差为10%，同时根据螺旋桨数值模拟结果和实验值比较，可知数据最大误差为8.2%。认为用这种方法来模拟喷水推进器和螺旋桨作用于船体是可行的，可以用于初步的泵桨联合推进数值模拟。

2 泵桨联合推进系统建模

利用CFD软件对流场进行数值模拟，创建三维模型非常关键，直接影响到模型计算的精确程度。

1)生成螺旋桨桨叶三维模型。绘制螺旋桨桨叶的二维平面图，经过坐标转换生成dat文件并导入Gambit里建立螺旋桨的三维模型。螺旋桨实体模型见图5。

图5 螺旋桨实体模型

2)建立喷水推进器模型。以X轴为旋转轴，利用同样的方法建立喷水推进器动叶轮与导叶轮的三维模型，并对进水段及出水段建立模型。喷水推进器实体模型见图6。

图6 动叶轮实体模型

3)建立船尾模型与外域。本文主要考虑喷水推进器与螺旋桨之间的相互作用，适当地简化喷水推进器、螺旋桨与船体之间的相互作用，船体艉部模型采用规则的几何模型。

4)对喷水推进器流场进行网格划分时分为进流段、动叶轮、导叶轮及出流段四个区域。由于喷水推进器的动叶轮及导叶轮的叶片形状不规则，进行网格划分时采用三角形网格面网格单元和四面体/六面体混合型体网格单元。叶轮及泵体之间生成了8层网格。并对叶梢及叶根区域进行局部网格加密。由于螺旋桨表面形状复杂，采用非结构网格进行划分。在螺旋桨周围建立小圆柱形流体域，周围建立矩形大流体域。螺旋桨网格及计算域网格见图7、8。

模型划分完网格后，在Gambit里进行边界条件定义，并生产*.mesh文件，导入Fluent内进行数值模拟。

图7 螺旋桨网格

图8 计算域网格

3 数值模拟结果分析

3.1 螺旋桨推力及转矩

表2、3为Fluent计算得到的在相同条件下，泵桨联合推进系统中两个螺旋的推力及两个螺旋桨单独作用时的螺旋桨推力。

表2 泵桨联合推进系统螺旋桨推力 N

表3 螺旋桨单独作用螺旋桨推力 N

泵桨联合推进系统中，左、右螺旋桨的推力分别为1.215×106、1.207×106N，较螺旋桨单独作用时的螺旋桨推力1.149×106、1.137×106N,增幅为5.57%、6.13%。主要原因是喷水推进器出流作用于螺旋桨桨叶叶面处，使其压力叶面压力增加，提高螺旋桨推力。

泵桨联合推进系统中左侧螺旋桨的转矩1.183×104N·m，较螺旋桨单独作用时的螺旋桨转矩1.124×104N·m增幅5.27%；右侧螺旋桨的转矩1.212×104N·m，较螺旋桨单独作用时的螺旋桨推力1.144×104N·m增幅5.89%。泵桨联合推进系统能有效提高螺旋桨的推力。同时，对螺旋桨的转矩也有很大的影响。

泵桨联合推进系统中，左侧螺旋桨推进效率为ηBL=0.654，右侧螺旋桨推进效率ηBR=0.635；当螺旋桨单独作用时，左侧螺旋桨的推进效率ηPL=0.651，右侧螺旋桨的推进效率ηPR=0.633。泵桨联合推进系统中，螺旋桨推进效率相比于螺旋桨单独作用时略微提高。

3.2 喷水推进器推进性能

表4、5为由Fluent软件计算得到的喷水推进器在泵桨联合推进系统中及喷水推进器单独作用时产生的推力。其中喷水推进器单独作用时推力为7.566×105N，泵桨联合推进系统中喷水推进器推力为7.545×105N，较单独作用时减幅达0.28%。

表4 泵桨联合推进系统喷水推进器推力 N

表5 喷水推进器单独作用推力 N

喷水推进器单独作用时转矩为8.068×103N·m，泵桨联合推进系统中喷水推进器转矩为8.057×103N·m，较单独作用时减幅0.36%。

由此可见泵桨联合推进系统中，喷水推进器推进性能受影响较小，几乎没有变化。

1)泵桨联合推进系统中，喷水推进器进水口流速v0=8.8 m/s，出水口流速vj=19.8 m/s，流经喷水推进器的流体流量Q=32 m3/s。

根据T净=ρQ(vj-v0)得到喷水推进器产生的净推力T=3.52×105N，泵桨联合推进系统中喷水推进器的推进效率为0.467。

2)在喷水推进器单独作用时，v0=8.7 m/s，vj=19.6 m/s，Q=31.73 m3/s，T=3.459×105N，泵桨联合推进系统中喷水推进器的推进效率为0.457。

泵桨联合推进系统中，喷水推进器的推进效率几乎不受影响。数值计算所得喷水推进器效率仅为0.457是因本文并未对喷水推进器进、出水管道进行优化，对喷水推进器推进效率影响较大。

4 结论

泵桨联合推进系统中与两种推进器单独作用比较，螺旋桨推力增加6.0%，转矩增加5.5%，推进效率略微提升；喷水推进器的推力、转矩变化幅度均不超过0.5%。因此，泵桨联合推进系统中，螺旋桨的推进性能对流场的变化更敏感，而喷水推进器受外部流场影响较小，在设计时应给于更多的关注。

[1] 孙存楼，王永生，丁江明，等.一种新式联合动力装置在现代战斗舰艇上的应用分析[J].舰船科学技术，2006(10)：39-42.

[2] 孙存楼，王永生，丁江明，等．喷水推进器推力的动量计算法[J].武汉理工大学学报：交通科学与工程版，2006 (6)： 1098-1101

[3] 孙存楼，王永生，刘巨斌.混合推进系统喷水推进器与螺旋桨相互作用研究[J].中国造船，2010，51(1)：9-16.

[4] 沈海龙，苏玉明．船体黏性非均匀伴流场中螺旋桨非定常水动力性能预报研究[J].水动力学研究与进展，2009，24(2)：232-241.

[5] 董世汤，王国强，唐登海，等.船舶推进器水动力学[M].北京：国防工业出版社，2009.