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毂帽鳍对调距桨推进效率影响的数值研究

摘要：数值模拟进行了研究螺旋桨轴毂帽鳍如何经营利用雷诺平均纳维斯托克斯方法。此外，探索可调螺距螺旋桨的敞水效率的影响机制是通过对敞水特征曲线进行分析来研究叶片表面压力分布和轮毂流线分布。在此基础上，包括翼型，直径的参数，对安装在可调螺距螺旋桨的圆周安装角度的轴向位置对敞水效率的影响进行了研究。计算结果表明：对于可调螺距螺旋桨，在最佳毂帽翅片的半径时产生的推力是具有最佳安装位置在轴向方向推进器毂的1.5倍，两个相邻的螺旋桨根在翅片根的前部的前端和后端的延长线的中点是最佳的圆周安装位置。在这些最佳参数下，用不同的速度前进系数可调螺距螺旋桨敞水效率增益大于0.01，增加约1%-5%敞水效率。

关键词：毂帽鳍;调距桨;敞水效率;雷诺平均纳维 - 斯托克斯

1引言

当传统的螺旋桨运行时，桨毂的附近通常产生强大的涡流流。通过集线器涡产生的诱导阻力导致枢纽附近的螺旋桨的效率减小。为了解决这个问题，毂帽翅片可以另外安装在螺旋桨上。毂帽鳍可转接的消退枢纽旋涡的强度弓帽后面的流体。另外，流出螺旋桨毂的水，在推进器的相同方向产生旋转转矩，从而，减少了对螺旋桨轴的转矩。毂帽翅片是提高螺旋桨效率的有效手段。大内和小仓（1988），大内和玉岛（1989）在日本商船三井株式会社大阪最早研究螺旋桨。实验证明，如果毂帽鳍帽连接到螺旋桨帽，它可以消除轮毂涡。同时产生的阻力，改变水流量减少尾流的旋转速度，增加了尾流轴向速度在3% - 7%提高敞水效率；同时降低振动和噪声的螺旋桨产生。

研究人员还对螺旋桨的关键参数进行实验研究，为凸台翅片瓶盖的设计提供研究的基础。龚和周（1991）研究了毂帽鳍的作用，对推进器及其功能的性能试验，并确定毂帽鳍的参数值的最佳范围。龚等人发现，当螺旋桨螺距比在0.8-1.2的范围内，毂帽鳍将由3% 提高到 7%加大公开用水效率;但是，当间距比太小和毂涡流较弱，它可以降低螺旋桨效率。因此毂帽鳍更适用于大螺距和强大的枢纽涡螺旋桨。反向打开水实验通常被用来确定可调螺距螺旋桨的螺旋桨水动力性能的影响，即，放置传动轴和打开水箱上螺旋桨的上游。

实验装置的前支撑通常会影响进入流的均匀性，导致的实验结果具有一定的误差。因此，要更加重视通过数值计算螺旋桨水动力性能的研究调查。胡和周（1991）提供了用于毂帽翅片理论计算方法，也提出了一系列的公式来确定基于提升线理论毂帽翅片的性能和形状。所得到的数值结果，均与实验数据基本一致。Hsin （2008年）提出了与使用计算流体动力学（CFD）的PBCF设计过程。王某等人（2009年）用4119螺旋桨与使用CFD软件毂帽鳍水动力性能进行了数值模拟。数值计算结果表明，当提前速度系数不大时，螺旋桨毂帽鳍造成的推力减小和扭矩增加，从而增加了对公开水域效率。由于事先速度系数增加，螺旋桨效率增益逐渐减少。王某等人（2010）进一步研究毂帽鳍的各种参数对公开水域效率的影响。Ma研究了节能使用RANS螺旋桨毂帽翅片和试验方法的效果，证明了毂帽翅片能导致整个系统扭矩急剧下降，但对推力的影响较小，并且提高了工作效率螺旋桨。数值计算结果进一步表明，节能与全面雷诺数毂帽鳍的效率要高得多。哈桑等人（2012）分析了PBCF在螺旋桨的诱导下游效应的存在。安装PBCF的在轮毂的端部的角度，螺旋桨和PBCF之间的相位角，通过改变两个参数进行评估在轮毂的端部PBCF的性能。

文献综述提供的研究目标主要是在常规的螺旋桨；然而，很少有研究可控螺距螺旋桨。可控螺距螺旋桨叶片桨距的改变由在轮毂的控制机构完成。因此，它具有比常规推进器更大的轮毂和轮毂涡流的强度和形状，这与以往的螺旋桨不同。本文采用RANS方法用于对可控螺距螺旋桨的水动力性能的数值模拟和无毂帽鳍设计的间距条件下的研究。还研究调查了翼型、毂帽鳍、直径、轴向安装的位置和安装的圆周角度对获得的可操纵螺距螺旋桨的敞水效率的影响,寻求最优设计参数的毂帽鳍。

2数学模型

2.1控制方程

螺旋桨在开放水域作业满足RANS方程：

（1）

（2）

其中U，和P是在和p的平均值，分别; F;为f，的平均值; U; 是个波动的价值和-pu;“U。在动荡的波动值相关联的雷诺应力项方程，是一个未知变种。 SST I-湍流模型被用来关闭方程;这种湍流模型在流场模拟更高的精度。有关详情请参阅张等（2005）。

2.2形状

用于计算的可调螺距螺旋桨的R-R AB螺旋桨和螺旋桨的主要参数示于表1及其毂直径比为0.292;在0.7英尺设计间距比我0.445;在螺旋桨根部距比为1.0317。根据由（大内和玉岛，1989）进行的研究结果，毂帽翅片的几何俯仰角是一样的螺旋桨根。因此，在本文中毂帽翅片的几何俯仰角被设定为49°。所述数值模型的坐标系是正交坐标系。 X轴点下游，即流入流量的方向;Y轴是平行于叶片表面的基准线;方向或Z轴由右手规则给出可调螺距螺旋桨的没有和有毂帽翅片的模型分别示于图一。

图一 不具有和具有PBCF螺旋桨模型

表1 可调螺距螺旋桨模型尺寸

2.3网格和边界条件

由于螺旋桨复杂的几何形状，通过建立一个单一的计算域来划分六面体网格是非常困难的，作为四面体网格的划分可能导致网格数量巨大。在这份研究报告中，刘等人（2007）提出了适应混合动力（结构化和非结构化）网格方案。

首先，从螺旋桨磁盘远的前端包围螺旋桨的圆柱形内部计算域建立与该计算域的2D（D表示螺旋桨的直径），和尾部3D螺旋桨盘。计算域的直径为1.2D，其大到足以建立封闭区域内的圆筒形外部计算域。对于网格生成，非结构化网格划分内附螺旋桨内部计算域具有更高的分辨率和更高的适应性; 螺旋桨尖，前缘，后缘和毂帽鳍进行加密，来捕捉重要的流场信息;外部计算领域也分为结构化网格，以满足更高要求的几何形状。需要在使用界面模型两种计算域的接口进行数据传输，而整个计算域是这样的，分为约280万的网格单元。带有毂帽鳍和计算域网孔的可调螺距螺旋桨示于图2和图3。

图2 带有毂帽鳍的调距桨

图3 带有计算域网孔的可调螺距螺旋桨

边界条件：可调螺距螺旋桨的转速为1200转/分; 入口边界被设定为速度入口;速度是根据预先速度系数确定的; 进口湍流强度为0.01，涡粘性滑稽是5;出口边界被设定为压力出口，大气压力作为压力值; 调距桨的壁被设置为对于未滑动面的边界条件。

选择SST的K-EN湍流模型在调距桨的内部域的流体MRF模型求解。控制方程和湍流模型采用有限体积法离散，而对流项与扩散项采用二阶中心差分离散; 压力 - 速度耦合采用一个全隐数值的计算方法。

3数值结果

首先，网格敏感性研究是在可调螺距螺旋桨进行，使用三个网格：细，中，粗。自由网格是从介质格中的每个坐标方向上使用一个细化因子产生的。粗网格是形状相似的自由栅格。网格尺寸和相应值在表2中给出。在这些计算应用SST kw湍流模型来计算。表3三个网格的计算推力和扭矩系数与实验值进行比较。

表2 调距桨网格尺寸值

网格研究表明，网格细化装置Kz和Kp值一般不要过于敏感，所以该介质格栅在下面的数值模拟中使用。

表3 调距桨K值的计算

没有毂帽鳍的可控螺距螺旋桨的敞水性能，数值模拟研究成果，该数值结果对实验结果相比较，如图4所示。如图4，在不同速度前进系数下，推力和扭矩系数的计算结果与实验值一致。但作为推力系数的数值结果是比实验结果稍低和扭矩系数的比的实验结果略高，效率的数值结果与实验值显著不同，但总体上数值结果是令人满意的。本文建立的数学模型和网格生成已被证明是合理的，可靠的。

图4 可调螺距螺旋桨的敞水性能

根据参考文献研究，当毂帽鳍的影响考虑在内时，毂帽鳍的参数设置对公开水域效率增益具有更大的影响力。为了研究毂帽鳍对可调螺距螺旋桨的敞水效率的影响，根据参考的建议，毂帽鳍是首次入选计算的，毂帽鳍的翼型轮廓是NACA16，毂帽翅片是椭圆形的，高宽比为1.5; 其几何俯仰角是49°，径向倾斜角保持不变。直径0.385d，桨根的末端与毂帽鳍根前端相距0.0343D；毂帽翅片的周向位置是两个相邻的螺旋桨根在翅片根前端和后端的延长线的中点。有毂帽鳍的可调螺距螺旋桨敞水性能与无毂帽鳍的调距桨相比在图5中，带有毂帽翅片螺旋桨效率的增益如图6。

图5 有和没有PBCF调距桨的敞水性能

螺旋桨有和没有PBCF

图6 带有PBCF可调螺距螺旋桨的增益曲线

从图5可以看出：当预先速度系数小于1.0，随着毂帽鳍的增加，可调螺距螺旋桨的推力系数和扭矩系数都降低。因此调距桨的敞水效率增加，这与实验上观察到的实际情况一致。但是，随着提前系数增大，可调螺距螺旋桨敞水效率增益也随后降低，最终比并列的螺旋桨要小，这从图6中可以看出。这个结果是由于较高的前进速度系数，事实上，毂帽鳍不仅产生负面的推力，同时也加大对可调螺距螺旋桨的扭矩。

图7和图8显示的是当有毂帽鳍的辅助螺旋桨和螺旋桨轮廓叶片吸力面和压力的一面的压力系数，如从图中可以看出，带有毂帽翅片螺旋桨的叶片的吸力侧和压力侧的低压面积比母体螺旋桨的大，这表明，带有毂帽翅片的螺旋桨的推力比母体螺旋桨的更高。如由压力侧的压力分布表示，毂帽翅片的存在导致在螺旋桨根的前缘压力的增加，与母螺旋桨相比低压区域集中在前缘。在吸入侧和压力侧，在同一点带有毂帽翅片的可调螺距螺旋桨压力比普通螺旋桨小。

(一)母螺旋桨 （二）带有毂帽鳍的螺旋桨

图7 可调螺距螺旋桨抽吸侧压力系数轮廓

图9显示出了在x方向上的可调螺距螺旋桨在ID-0.5和JD-1.0的横截面的速度云图。如该图显示，在x方向上表示的母螺旋桨的速度，螺旋桨毂后面与在这两个位置比带有毂帽翅片螺旋桨显著更大。主要的原因是，当毂帽翅片未安装在轮毂表面时，可调螺距螺旋桨旋转使流体向后流动，并且水流最终会聚后面螺旋桨毂以产生强涡流。但是，安装毂帽翅片后，在螺旋桨毂处的水的速度分布的变化。其结果是，水的流量没有在螺旋桨毂穿过螺旋桨毂和旋涡强度降低后降低，如图10所示。如果设计得当，在螺旋桨毂的水流量可以由翅片有效地转移。因此，由于螺旋桨毂后面没有存在水流聚集，没有毂涡流将产生。

为了研究可调螺距螺旋桨敞水效率毂帽鳍机翼剖面的影响，选择NACA16翼型和NACA66 MOD翼型用于对比计算，与其他参数保持不变。对应于两个机翼剖面毂帽翅的可调螺距螺旋桨敞水效率计算结果见表4。

从表4中可以看出，使用NACA66 MOD翼型轮廓的调距螺旋桨效率的增益比使用NACA16翼型略高。

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