【研究前沿】风力涡轮机尾迹涡流轨迹的全面CFD研究：收缩式风力涡轮机案例

这篇文章是2024年发表在《Ocean Engineering》。 文章通过尺度解析模拟（混合URANS/LES方法）对带和不带空化的艏推器水动力学进行了研究。计算流体动力学（CFD）结果通过实验流体动力学（EFD）数据对整体力、力波动、平均和非定常压力进行了验证和确认。研究识别了艏推器流动中的典型涡旋结构，并讨论了使用不同的湍流模型（包括 URANS、DDES 和 SLH）得到的结果差异。研究表明，与传统螺旋桨相比，艏推器螺旋桨上的推力波动显著增加。研究结果由Jastram GmbH & Co. KG制造的真实尺寸艏推器获得。1. 研究背景 艏推器隧道内的流动场因流动分离、空化和艏推器不同组件（包括外壳、隧道壁和船体）之间的复杂相互作用而变得复杂。这些因素使得艏推器流动的数值模拟比船用推进器水动力学的其他问题更加困难。由于可用的实验数据不足，CFD模型验证变得困难。尽管如此，仍有一些具有实际重要性的参数可以通过CFD进行研究，例如：螺旋桨的几何形状和位置、隧道的长度、进出口几何形状、船体衬里的形状、保护格栅以及船舶速度的影响。2. 数值模型 研究针对Jastram GmbH & Co. KG为游艇应用制造的小型艏推器全尺寸进行了CFD研究。实验在柏林技术大学的拖曳水池中进行，艏推器安装在一个高1.65米的模拟船体部分中，该部分具有垂直和倾斜的板材。研究包括不可压缩流动的连续性方程和动量方程。使用了三种不同的湍流模型来计算应力，包括RANS模型（k-ω SST）、混合DDES模型和SLH模型。使用体素分数（VOF）技术模拟了两相（蒸汽和水）流动。计算域覆盖了拖曳水池的一部分，长度为50米。计算域被细分为定子和转子部分，并采用了滑动网格技术模拟旋转螺旋桨。计算使用了OpenFOAM求解器工具。3. 研究结果 通过与EFD数据的比较，验证了CFD模型的准确性。结果显示，使用混合SLH模型时，CFD预测的螺旋桨推力和扭矩的误差不超过5%。实验中测量了螺旋桨前后两个圆周上14个均匀分布点的压力。结果表明，CFD与EFD在预测平均压力方面取得了满意的一致性。空化对时间平均推力的相对变化。空化导致推力下降。当考虑空化时，不同模型之间的差异变得可以忽略不计，空化对艏推器水动力学有决定性影响。 4. 结论 CFD能够有效地再现艏推器中的稳态和非定常水动力效应。当使用混合SLH模型时，CFD预测螺旋桨推力和扭矩的误差不超过5%。空化对艏推器水动力学有显著影响，考虑空化时CFD与EFD之间的一致性显著提高。CFD分析可以识别艏推器流动的主要涡旋结构，与传统螺旋桨相比，艏推器的推力波动增加，这解释了在操纵期间艏推器启动时振动的增加。 来源：CFD饭圈