[论文解读] Investigation on the performance of a ducted propeller in oblique flow

Qin Zhang, Rajeev K. Jaiman+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 10, 2018

Cavitation Phenomena in Pumps参考文献 4被引用 4

一句话总结

本研究采用RANS和混合RANS/LES模拟方法，结合滑动网格技术，研究了在倾斜流条件下导管螺旋桨的水动力性能。结果表明，倾斜来流在桨叶和导管上引起显著的非对称载荷，尤其在吸力面上更为明显，导致推力和扭矩出现明显波动，瞬态模拟捕捉到了对动态定位（DP）系统设计至关重要的非定常流动力学特征。

ABSTRACT

In this study, the ducted propeller has been numerically investigated under oblique flow, which is crucial and challenging for the design and safe operation of thruster driven vessel and dynamic positioning (DP) system. A Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) model has been first evaluated in the quasi-steady investigation on a single ducted propeller operating in open water condition, and then a hybrid RANS/LES model is adapted for the transient sliding mesh computations. A representative test geometry considered here is a marine model thruster which is discretized with structured hexahedral cells, and the gap between the blade tip and nozzle is carefully meshed to capture the flow dynamics. The computational results are assessed by a systematic grid convergence study and compared with the available experimental data. As a part of novel contribution, multiple incidence angles from $15^\circ$ to $60^\circ$ have been analyzed with varying advance coefficients. The main emphasis has been placed on the hydrodynamic loads that act on the propeller blades and nozzle as well as their variation with different configurations. The results reveal that while the nozzle absorbs much effort from the oblique flow, the imbalance between blades at different positions is still noticeable. Such unbalance flow dynamics on the blades and the nozzle has a direct implication on the variation of thrust and torque of a marine thruster.

研究动机与目标

• 分析在动态定位（DP）船舶操作中常见的倾斜流条件下导管螺旋桨的水动力性能。
• 评估基于RANS的稳态（MRF）与瞬态滑动网格（AMI）模拟在预测力和流场方面的准确性。
• 量化由于来流角度和前进系数变化，导管螺旋桨桨叶和导管上水动力载荷的不平衡程度。
• 评估倾斜流对压力分布的影响，特别是对桨叶吸力面和压力面的影响。
• 为改进DP控制策略和推进器设计提供关于非定常流动力学和尾流特性的深入见解。

提出的方法

• 首先采用MRF方法对准稳态开敞水条件下的雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）模型进行验证。
• 采用混合RANS/LES模型进行瞬态滑动网格模拟，以捕捉非定常流特征和湍流尾流发展。
• 计算域采用结构化六面体网格，且在桨叶尖端与导管间隙区域进行了精细化处理，以解析复杂的流动物理现象。
• 开展了系统的网格收敛性研究，以确保结果的数值精度和可靠性。
• 在15°至60°的多个来流角度及不同前进系数（J）下进行模拟，并与实验数据进行对比。
• 分析时间平均和瞬时流场，以评估稳态与瞬态模拟在捕捉非定常动力学方面的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着来流角度从15°增加到60°，导管螺旋桨在倾斜流中的推力和扭矩如何变化？
• RQ2 在倾斜来流条件下，导管对总水动力载荷的贡献有多大？与螺旋桨部件相比有何差异？
• RQ3 不同桨叶位置和来流角度下，桨叶和导管表面的压力分布如何变化？
• RQ4 稳态（MRF）与瞬态（AMI）模拟在力预测和流场特征方面存在哪些差异？
• RQ5 非定常流特征（如涡旋脱落和尾流发展）如何影响导管螺旋桨的性能和载荷不平衡？

主要发现

• 在倾斜流条件下，由于压力梯度增大，导管承受了显著更大的水动力载荷份额，尤其是在较高来流角度时。
• 尽管导管具有一定的遮蔽效应，但桨叶各位置仍存在明显的非对称载荷，其中吸力面的不平衡最为显著。
• 随着来流角度和前进系数的增加，推力和扭矩发生显著变化，表明其在非设计工况下性能严重下降。
• 瞬态AMI模拟捕捉到了稳态MRF结果中缺失的非定常速度脉动和复杂尾流结构（如低速区和涡旋脱落）。
• 压力系数（Cp）分布显示，在倾斜流条件下，桨叶吸力面的敏感性高于压力面，表明存在局部流动分离风险。
• 时间平均的AMI结果在尾流发展和力预测方面与实验数据的吻合度优于稳态MRF模拟。