FLUENT水下推进器螺旋桨计算

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1 前言

水下推进器是潜艇、船只等装备的重要设备，负责为装备的运动提供所需的动力。其基本工作原理是借助轴的扭矩使叶片随轴产生旋转运动，流经推进器的水动量发生变化，根据牛顿第三定律，将会对推进器产生一个推力。今天，我们用一个假想的推进器螺旋桨做一个计算案例。

2 建模与网格

建立如下的三维计算模型，对于该问题的计算，类似于离心泵的计算，需要建立动、静子域。本案例中，螺旋桨及其外围附近的圆柱面构成旋转域，圆柱面和外围方形（也可以是圆柱形）构成静态域，圆柱面为动静域的交界面（interface）。划分多面体网格，重点对螺旋桨附近的网格进行细化，因为此处的变量梯度最大。另外，视螺旋桨的结构复杂程度，旋转域的网格质量通常难以达到较高水平，本案例的最小正交质量为0.1。

3 边界条件与求解设置

采用默认的SST k-ω湍流模型，控制壁面的Y+接近1。

我们设定进口流速0.3m/s，类比风洞试验，该速度也是表征推进器和母装备（潜艇、船只）以0.3m/s的速度前进。本案例的进口速度方向为-Z，则推进器移动方向为+Z。

本案例采用MRF多运动参考坐标系方法模拟动域，该方法为稳态计算，求解时间相对较短。当然也可以用滑移网格（mesh motion），只能瞬态计算，但是，可以模拟实际运动状态。按下图设定旋转域的角速度，FLUENT角速度的方向采用右手定则。本案例设置的旋转轴为+z，角速度为负值，实际上旋转轴为-Z，根据右手定则，表示的旋转方向如图所示。

螺旋桨的壁面设定为运动壁面，运动参数设置如下，表示螺旋桨和动域一起旋转。

其他面设置为自由滑移壁面，也可设置为对称边界。

设置一个监视器，监测螺旋桨壁面的推力。

其它求解设置默认，建议对于该问题，压力速度耦合采用coupled算法，收敛性更好。

4 计算结果

我们先看一下残差曲线，和推力监测曲线，可以看到收敛效果还不错，如果收敛性很差，首先考查一下是不是网格质量问题。

螺旋桨壁面的静压力以及附近的速度矢量如下，可以看到介质旋转并向-Z方向运动，根据前面设定的转动方向，叶片在迎面上的压力大于背面的压力，这样根据叶片的形状，会产生+Z方向的推力，这也符合动量守恒定律。

我们读取一下螺旋桨的推力值，总推力为7007N，压力的贡献是正值（如前文分析），粘力的贡献为负，介质向后流动必然产生向后的粘性力。

我们再读取一下螺旋桨的扭矩值，总扭矩为2593N·m。FLUENT扭矩的方向也采用右手定则，可以看出扭矩的方向和旋转方向是相反的，符合实际情况。

综上分析，螺旋桨在该旋转方向和旋转速度下，将产生+Z方向上7007N的推力，使得装备以0.3m/s的速度向+Z方向移动。将前进速度乘以推力得到前进的功率为2102.1W，将总扭矩乘以旋转角速度得到推进器的输入功率为27148.7W，这个工作点下推进器的效率为7.7%。

若我们将动域的旋转方向改变一下，同时进出口的边界不变，则必然产生方向的推力（如下），也就是前文所说的运动状态是不成立的，假设+Z是运动目标方向，则该旋转方向将使得装备反向运动。

定义如下几个参数，用以评价螺旋桨的性能：

其中Va为来流速度（m/s），本案例为0.3m/s；D为螺旋桨叶片外径（m），本案例为1.2m，n为转速（转/秒），本案例为（200/60）转/秒T为推力（N），Q为扭矩（Nm），ρ为介质密度（kg/m³），水的密度998.2 kg/m³。

于是本案例计算点螺旋桨的性能参数如下，也就是当装备的流动阻力等于螺旋桨的推力时，螺旋桨的工作点参数如下：

可以通过计算不同的来流速度（亦即装备航行速度），获得螺旋桨的性能曲线（横坐标为J），纵坐标为K_T，K_Q和η₀如下，当J=0.7，亦即装备航行速度2.8m/s时，本案例的螺旋桨效率最高，此时推力（装备航行阻力）734.3N，螺旋桨扭矩339N·m，输入功率3.549kW，装备航行的功率2.056kW。注意，本案例的螺旋桨为随意画的，性能参数没有实际应用意义。

参考文献

[1] CFD ANALYSIS OF CONTROLLABLE PITCH PROPELLER USED IN MARINE VEHICLE

[2] Marine Propellers

来源：仿真与工程

湍流控制试验

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首次发布时间：2023-07-05