導(dǎo)管槳加裝節(jié)能舵球的水動(dòng)力性能計(jì)算分析

王貴彪，謝永和

(浙江海洋學(xué)院a.水產(chǎn)學(xué)院，b.船舶與建筑工程學(xué)院，浙江 舟山316004)

螺旋槳作為船舶上應(yīng)用最為廣泛的一種推進(jìn)器，其水動(dòng)力性能不僅與其本身的要素、船體、主機(jī)有關(guān)，而且還受到螺旋槳后舵的影響。因此，必須將螺旋槳與舵當(dāng)成一個(gè)系統(tǒng)來(lái)計(jì)算其水動(dòng)力性能［1］。舵球作為一種節(jié)能裝置，投資少、安裝方便，對(duì)各類新舊船型都適用，且能夠取得理想的節(jié)能效果，普遍受到船東的歡迎。目前，國(guó)內(nèi)外許多研究者已經(jīng)對(duì)螺旋槳加裝舵球的水動(dòng)力性能做了較深入的研究，但還僅僅局限于普通螺旋槳，對(duì)導(dǎo)管槳加裝舵球后的水動(dòng)力性能分析較少涉及。為此，本文針對(duì)42 m拖網(wǎng)漁船的導(dǎo)管螺旋槳及其舵，利用Fluent軟件，對(duì)加裝舵球前后，導(dǎo)管槳-舵系統(tǒng)水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算與比較，分析舵球的節(jié)能機(jī)理。

1 控制方程和湍流模型

1.1 控制方程

針對(duì)不可壓縮流體，其連續(xù)性方程為

RANS方程為

1.2 湍流模型

采用RNG k-ε模型對(duì)雷諾平均方程進(jìn)行封閉，該模型所得到的k方程和ε方程與標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型非常相似［2］:

式中:Gk——平均速度梯度引起的湍動(dòng)能;

Gb——浮力影響引起的湍動(dòng)能;

YM——可壓縮湍流脈動(dòng)膨脹對(duì)總的耗散率的影響;

αK，αε——湍動(dòng)能k和耗散率ε的有效普朗特?cái)?shù)的倒數(shù)。

2 計(jì)算的前處理

2.1 幾何模型的建立與網(wǎng)格劃分

計(jì)算選取模型為42 m拖網(wǎng)漁船的Ka4-55型導(dǎo)管槳和NACA-18剖面的舵，其參數(shù)分別為直徑3 m，轂徑0.48 mm，螺距4.26 m，盤面比0.55的導(dǎo)管槳;舵尺寸要素為3.3 mm×1.5 mm，面積為4.95 m2，展弦比為2.2。

設(shè)計(jì)的舵球由兩個(gè)部分組成:前部分為半個(gè)球體，后部分為同一圓形為底面的圓錐與舵葉。通過(guò)布魯爾運(yùn)算所得，圓錐的高度為圓心至舵葉隨邊的垂直距離。舵球直徑與螺旋槳的比值為0.200～0.216時(shí)節(jié)能效果最佳［3］，而舵球與槳轂間距越小節(jié)能效果越好［4］，故本文選取兩者之比為0.21，與槳轂的距離選取為1 mm。舵球形狀見(jiàn)圖1，槳-舵-舵球計(jì)算模型見(jiàn)圖2。

圖1 舵球形狀示意

圖2 槳-舵-舵球3D模型示意

在Gambit中按1∶12.5的縮尺比建立幾何模型，并導(dǎo)入ANSYS-ICEM中劃分網(wǎng)格，在靠近導(dǎo)管槳和舵的區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，而在外圍區(qū)域則采用六面體網(wǎng)格劃分，邊界層網(wǎng)格則采用三棱柱網(wǎng)格。

2.2 計(jì)算域的選取與邊界條件設(shè)置

選取的計(jì)算域?yàn)橐粓A柱體，由3個(gè)子域組成，分別是包含螺旋槳和導(dǎo)管內(nèi)壁的域、包含導(dǎo)管外壁和舵的域以及外圍流場(chǎng)的域，見(jiàn)圖3。

圖3 槳舵系統(tǒng)計(jì)算域及邊界條件設(shè)置示意

將進(jìn)口邊界設(shè)置在槳前2.5D處，出口邊界設(shè)置在螺旋槳下游8D處，計(jì)算域外圍圓柱的半徑為3.5D，D為導(dǎo)管槳直徑。

而在邊界條件設(shè)置上，螺旋槳區(qū)域采用MRF法;舵及導(dǎo)管外壁所在區(qū)域與外圍區(qū)域均設(shè)置為靜止域;入口條件設(shè)置為速度入口;出口條件設(shè)置為壓力出口;由于內(nèi)、外域交界面的網(wǎng)格劃分不同，因此將這些面分別設(shè)置為成對(duì)的interface交界面條件;將導(dǎo)管、槳葉、槳轂的壁面均設(shè)置為速度無(wú)滑移條件，同時(shí)將導(dǎo)管內(nèi)壁的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)速度設(shè)置為零。螺旋槳區(qū)域與舵區(qū)域的交界面網(wǎng)格相同，設(shè)為內(nèi)部面interior。

3 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

求解器選用分離式求解器，計(jì)算時(shí)選用RNG k-ε湍流模型，采用尺度化壁面函數(shù)處理近壁面，對(duì)控制方程的離散均采用一階迎風(fēng)差格式。

進(jìn)速系數(shù)分別選取0、0.2、0.3、0.5、0.7、0.8、0.9，螺旋槳轉(zhuǎn)速n=10 r/s保持不變，根據(jù)不同進(jìn)速系數(shù)推算來(lái)流速度。

由于在舵上產(chǎn)生的力會(huì)對(duì)槳-舵系統(tǒng)乃至船體的效率產(chǎn)生影響，故系統(tǒng)的推力系數(shù)kt和轉(zhuǎn)矩系數(shù)kq分別由下式計(jì)算:

式中:Td——導(dǎo)管產(chǎn)生的推力;

Tj——螺旋槳產(chǎn)生的推力;

Tr——舵上產(chǎn)生的力;

Q——導(dǎo)管螺旋槳產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩。

圖4為槳-舵系統(tǒng)水動(dòng)力性能特征曲線對(duì)比。

圖4 槳-舵系統(tǒng)水動(dòng)力性能特征曲線對(duì)比

由圖4可見(jiàn)，安裝舵球后，導(dǎo)管螺旋槳推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)比原舵有所減小，但導(dǎo)管槳-舵系統(tǒng)的效率有不同程度的提高。舵球的節(jié)能效果用Δη表示。

計(jì)算所得節(jié)能效果見(jiàn)表1。

表1 不同進(jìn)速下舵球節(jié)能效果表

根據(jù)表1，本文42 m拖網(wǎng)漁船舵球節(jié)能效果最大可以到達(dá)2.1%，其中拖網(wǎng)工況J=0.3下節(jié)能1.81%。見(jiàn)圖5。

圖5 舵球節(jié)能效果

由圖5可見(jiàn)，導(dǎo)管槳的舵球節(jié)能效果曲線與普通槳有較大區(qū)別［5］:導(dǎo)管槳舵球曲線存在3個(gè)極值點(diǎn)。隨著進(jìn)速系數(shù)的增大，節(jié)能效果先增大至位于J=0.2的波峰處，隨后逐漸減小至波谷J=0.3處，緊接著繼續(xù)增大至位于J=0.5附近的波峰處，隨即繼續(xù)減小。

4 舵球節(jié)能機(jī)理分析

為從微觀上分析舵球節(jié)能的原理，以拖網(wǎng)工況J=0.3為例，對(duì)導(dǎo)管槳尾流場(chǎng)進(jìn)行分析。

對(duì)比圖6以及圖7有舵球和無(wú)舵球槳-舵系統(tǒng)中切面的壓力云圖和矢量分布圖，舵球填充了導(dǎo)管槳槳轂后端的一小塊低壓空間，也使得槳轂后端的紊流渦流區(qū)不復(fù)存在，減少了由它們所引起的能量損失。

圖6 系統(tǒng)中切面壓力云圖

圖7 系統(tǒng)中切面矢量圖

導(dǎo)管槳槳后水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡見(jiàn)圖8。

圖8 導(dǎo)管槳槳后水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡

由圖8可見(jiàn)，安裝舵球后，舵球?qū)⑽擦饔绕涫强拷鼧灪笪擦飨蛲獍霃脚艛D，能夠減少尾流收縮。而由理想推進(jìn)器理論［6］可知:增大螺旋槳尾流截面積可使螺旋槳的理想效率提高。因此，舵球的安裝可以使導(dǎo)管槳的理想效率得到提高。

5 結(jié)論

1)針對(duì)42 m拖網(wǎng)漁船，設(shè)計(jì)節(jié)能舵球的安裝可使該船的導(dǎo)管槳在拖網(wǎng)工況下，即進(jìn)速系數(shù)J=0.3時(shí)獲得1.81%的節(jié)能效果。

2)由于導(dǎo)管的存在，使得導(dǎo)管槳舵球的節(jié)能效果曲線與普通槳有較大區(qū)別。導(dǎo)管槳的舵球隨著進(jìn)速系數(shù)的增大，節(jié)能效果先增大后減小，接著再增大再減小。節(jié)能效果曲線具有兩個(gè)波峰(J=0.2附近及J=0.5)和一個(gè)波谷(J=0.3)。

3)舵球填充了槳轂后端的低壓區(qū)，減小了由紊流渦流引起的能量損失;同時(shí)舵球的存在使得導(dǎo)管槳的尾流截面積得以提高，從而使得其理想效率得到提高。

本文僅僅設(shè)計(jì)了一種舵球形狀，在今后的研究中，可以針對(duì)導(dǎo)管槳設(shè)計(jì)不同的舵球形狀，比較它們的節(jié)能效果，優(yōu)選出針對(duì)導(dǎo)管槳的舵球的最佳形狀。

［1］馬 騁，錢正芳，張 旭，等.螺旋槳-舵-舵球推進(jìn)組合體水動(dòng)力性能的計(jì)算與仿真研究［J］.船舶力學(xué)，2005，19(5):38-45.

［2］王福軍.計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2004.

［3］朱光遠(yuǎn)，張國(guó)雄，祁素珍.21 000 t多用途船的球首設(shè)計(jì)及尾部節(jié)能裝置實(shí)驗(yàn)［J］.上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，1994，17(1):1-5.

［4］裴為民，楊懷蜀.舵球?qū)β菪龢ㄋ实挠绊懀跩］.交通部上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)，1994，12(1):6-14.

［5］胡文婷.帶有舵球式推力鰭的船用舵水動(dòng)力性能研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué)，2010.

［6］盛振邦，劉應(yīng)中.船舶原理［M］.下冊(cè).上海:上海交通大學(xué)出版社，2004.