Численное моделирование обтекания модельного гребного винта


Авторы

Рагулин И. А.

Центральный институт авиационного моторостроения имени П. И. Баранова, Москва, Россия

e-mail: ilya-rag98@mail.ru

Аннотация

В данной статье описываются результаты численного моделирования гребного винта, работающего в условиях кавитации в кавитационной трубе. Моделирование проводилось при трех различных нагрузках на винт. Результаты подтверждаются экспериментами, проведенными в кавиатационной трубе. В качестве объекта исследования в работе рассматривается международный тестовый винт PPTC, разработанный и исследованный в Потсдамском бассейне. Диаметр винта составляет 25 см, а скорость вращения составляла 25 оборотов в секунду. Интегральные характеристики, размер каверн и их развитие в следе за гребным винтом сравниваются с экспериментальными данными.
Численное моделирование проводилось в CFD пакете Ansys Fluent с помощью гибридного RANS/LES метода SBES, который является развитием предыдущих RANS/LES методов, таких как DDES или IDDES. В области RANS используется низкорейнольдсовская модель турбулентности k-ω SST. Для решения многофазного течения выбрана модель смеси. Кавитация моделировалась с помощью модели Schnerr-Sauer. Построена расчетная сетка размерностью 77 миллионов ячеек. Сетка построена в программе Ansys Fluent Meshing и имеет комбинированный тип ячеек из многогранников и кубов. Для лучшего описания течения вблизи концевых вихрей и осевого вихря проводилась адаптация сетки по параметру q-критерия.
Результаты CFD хорошо согласуются с экспериментальными данными, относительные погрешности коэффициента полезного действия винта раны 1%, 5.5%, 7% для поступи J=1.019; J=1.253; J=1.408 соответственно.  Относительные погрешности гидродинамических характеристик винта увеличиваются с ростом поступи. Сравнение образующихся каверн также показывает хорошее совпадение результатов моделирования с экспериментом, на режиме с низкой нагрузкой используемая модель кавитации недостаточно точно описывает течение кавитации, что приводит к бо́льшим погрешностям, чем на режимах с высокой нагрузкой. Для увеличения точности численного моделирования рекомендуется использовать более сложные модели кавитации, а также использовать более подробные расчетные сетки. 

Ключевые слова:

гребной винт, численное моделирование, моделирование кавитации, модель турбулентности k-ω SST

Список источников

  1. Reynolds O. The causes of the racing of the engines of screw streamers investigated theoretically and by Experiment // Transactions of the Royal Institution of Naval Architects. 1873. Vol. 14, P. 56-67.
  2. Игнаткин Ю.М., Константинов С.Г. Исследование аэродинамических характеристик несущего винта вертолета методом CFD // Труды МАИ. 2012. № 57. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=30875
  3. Игнаткин Ю.М., Константинов С.Г. Исследование аэродинамических характеристик профиля и законцовок лопасти несущего винта вертолета методом CFD // Труды МАИ. 2012. № 57. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=30874
  4. Игнаткин Ю.М., Макеев П.В., Шомов А.И., Константинов С.Г. Моделирование режима «вихревого кольца» несущего винта вертолета на базе нелинейной вихревой модели и методов CFD // Труды МАИ. 2012. № 59. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=34410
  5. Тарасов А.Л. Численное исследование особенностей обтекания вертолетных профилей в эксплуатационном диапазоне изменения углов атаки и чисел Маха // Труды МАИ. 2023. № 131. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=175919. DOI: 10.34759/trd-2023-131-13
  6. Ша М., Агульник А.Б., Яковлев А.А. Влияние расчетной сетки при математическом моделировании натекния дозвукового потока на профиль перпективной лопатки с отклоняемой задней кромкой в двухмерной постановке // Труды МАИ. 2017. № 93. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=80297
  7. Пустошный А.В., Борусевич В.О., Магаровский В.В., Таранов А.Е. Соотношение расчетных и экспериментальных методов в современной гидродинамике судна // Труды Крыловского государственного научного центра. 2020. № 2 (392). С. 36-50. DOI: 10.24937/2542-2324-2020-2-392-36-50
  8. M. Shur, P.R. Spalart, M. Strelets, A. Travin. Detached-Eddy Simulation of an Airfoil at High Angle of Attack // In 4th Int. Symposium on Eng. Turb. Modeling and Experiments, Corsica, France. May 1999. DOI: 10.1016/B978-008043328-8/50064-3
  9. M.L. Shur, P.R. Spalart, M.K. Strelets, A.K. Travin. A Hybrid RANS-LES Approach With Delayed DES and Wall-Modelled LES Capabilities // International Journal of Heat and Fluid Flow. December 2008. P. 1638-1649. DOI: 10.1016/j.ijheatfluidflow.2008.07.001
  10. M.S. Gritskevich, A.V. Garbaruk, J. Schutze, F.R. Menter. Development of DDES and IDDES Formulations for the k-ω Shear Stress Transport Model // Flow Turbulence and Combustion. 2012. No. 88 (3). P.  431–449. DOI: 10.1007/s10494-011-9378-4
  11. P.R. Spalart, S. Deck, M.L. Shur, K.D. Squires, M.K. Strelets, A. Travin. A new version of detached-eddy simulation, resistant to ambiguous grid densities // Theoretical and Computational Fluid Dynamics. 2006. No. 20. P. 181–195. DOI: 10.1007/s00162-006-0015-0
  12. ANSYS FLUENT. Theory Guide. Release 2024R2. 4.14.2 P. 115-116. ANSYS, Inc. 2024.
  13. Heinke H.J. Potsdam Propeller Test Case (PPTC). Cavitation Tests with the Model Propeller VP1304. In SVA Potsdam Model Basin Report No. 3753. Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH: Potsdam, Germany, 2011.
  14. Barkmann U., Heinke H.J., Lübke L. Potsdam propeller test case (PPTC). Test case description // In Proceedings of the Second International Symposium on Marine Propulsors (smp’11). Hamburg, Germany, 15–17 June 2011. URL: https://www.marinepropulsors.com/proceedings/2011/II-1_Barkmann.pdf
  15. Menter F. Influence of freestream values on k-ω turbulence model predictions // AIAA Journal. 1992. No. 30. P. 1657-1659. DOI: 10.2514/3.11115
  16. M.L. Shur, M.K. Strelets, A.K. Travin, P.R. Spalart. Turbulence Modeling in Rotating and Curved Channels: Assessing the Spalart-Shur Correction // AIAA Journal. 2000. No. 38 (5). P. 784-792. DOI: 10.2514/2.1058
  17. M. Kato, B.E. Launder. The modelling of turbulent flow around stationary and vibrating square cylindersn // Ninth Symposium on Turbulent Shear Flows. Kyoto, Japan: August 16-18, 1993.
  18. ANSYS FLUENT. Theory Guide. Release 2024R2. 4.14.2 P. 619-637. ANSYS, Inc. 2024
  19. G.H. Schnerr, J. Sauer. Physical and Numerical Modeling of Unsteady Cavitation Dynamics // In Fourth International Conference on Multiphase Flow. New Orleans, USA. 2001.
  20. B.P. Leonard. The ULTIMATE conservative difference scheme applied to unsteady one-dimensional advection // Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1991. No. 88. P. 17–74. 
  21. S.V. Patankar. Numerical Heat Transfer and Fluid Flow. Hemisphere, Washington, DC. 1980. 197 p.
  22. B.P. Leonard, S. Mokhtari. ULTRA-SHARP Nonoscillatory Convection Schemes for High-Speed Steady Multidimensional Flow // NASATM1-2568 (ICOMP-90-12). NASA Lewis Research Center. 1990.
  23. B. Van Leer. Toward the Ultimate Conservative Difference Scheme. IV. A Second Order Sequel to Godunov’s Method // Journal of Computational Physics. 1979. No. 32. P. 101–136. 
  24. ANSYS FLUENT. Theory Guide. Release 2024R2. 4.14.2 P. 943-944. ANSYS, Inc. 2024.
  25. Barkmann U. Potsdam Propeller Test Case (PPTC). Open water tests with the model propeller VP1304. In SVA Potsdam Model Basin Report No. 3752. Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH: Potsdam, Germany, 2011.
  26. Heinke H.J. Potsdam Propeller Test Case (PPTC). Cavitation Tests with the Model Propeller VP1304. In SVA Potsdam Model Basin Report No. 3753. Schiffbau-Versuchsanstalt Potsdam GmbH: Potsdam, Germany, 2011
  27. Muscari R., Di Mascio A., Verzicco, R. Modeling of vortex dynamics in the wake of a marine propeller // Computers & Fluids. 2013. No. 73. P. 65–79. DOI: 10.1016/j.compfluid.2012.12.003
  28. Guilmineau E., Deng G., Leroyer A., Queutey P., Visonneau M., Wackers J. Influence of the Turbulence Closures for the Wake Prediction of a Marine Propeller // In Proceedings of the Fourth International Symposium on Marine Propulsors, smp’15, Austin, TX, USA, 2015.
  29. Viitanen V.M., Siikonen T. Numerical simulation of cavitating marine propeller flows // In Proceedings of the 9th National Conference on Computational Mechanics (MekIT’17), Trondheim, Norway, 11–12 May 2017. P. 385–409.
  30. Chase N., Carrica P.M. Submarine propeller computations and application to self-propulsion of DARPA Suboff // Ocean Engineering. 2013. No. 60. P. 68–80. DOI: 10.1016/j.oceaneng.2012.12.029


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2025

 Вход