基于混合網(wǎng)格技術(shù)的槳前超級(jí)導(dǎo)流管的仿真研究

鄭小龍 黃 勝

（哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001）

引 言

如今，能源對(duì)人類(lèi)生活的影響已達(dá)到舉足輕重的地位，從某種程度而言，能源已成為限制船舶行業(yè)發(fā)展的一大因素。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)船舶螺旋槳水動(dòng)力性能及推進(jìn)節(jié)能裝置開(kāi)展了大量研究［1-7］。馬騁等人［3］建立了螺旋槳-舵-舵球推進(jìn)組合的數(shù)學(xué)仿真模型，對(duì)組合推進(jìn)裝置的水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究，結(jié)果證明能獲得比原船型節(jié)能5.1%的效果；黃勝等人［4］進(jìn)行扭曲舵的研究工作，開(kāi)展扭曲舵的水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)及模型試驗(yàn)研究，并驗(yàn)證扭曲舵的工作原理；蘇玉民等人［5］以升力系數(shù)為設(shè)計(jì)目標(biāo)，運(yùn)用面元法理論迭代設(shè)計(jì)具有任意指定壓力分布形式的三維機(jī)翼，并通過(guò)平頂壓力分布形式設(shè)計(jì)出空泡性能優(yōu)良的槳葉。超級(jí)導(dǎo)流管（SSD）作為一種新型的水動(dòng)力節(jié)能附加裝置，其研究和開(kāi)發(fā)對(duì)目前乃至今后我國(guó)的水運(yùn)事業(yè)和海軍裝備具有深遠(yuǎn)意義。

本文確定了超級(jí)導(dǎo)流管（SSD）水動(dòng)力性能分析的CFD仿真方法，并應(yīng)用流體力學(xué)分析軟件FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬。首先，在ICEM-CFD軟件中建立了船體、螺旋槳和超級(jí)導(dǎo)流管（SSD）的幾何模型，并進(jìn)行網(wǎng)格的劃分，在FLUENT軟件中進(jìn)行了計(jì)算及結(jié)果后處理，然后將安裝超級(jí)導(dǎo)流管（SSD）前后的船模阻力和螺旋槳推力的計(jì)算值和試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果表明本文建立的研究槳前超級(jí)導(dǎo)流管（SSD）節(jié)能效果的CFD數(shù)值仿真方法是正確無(wú)誤的。

1 數(shù)學(xué)模型

螺旋槳在流體中以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，可視作螺旋槳模型在軸向靜止。假定其周向水域旋轉(zhuǎn)，而螺旋槳與之保持相對(duì)靜止，采用不可壓縮流體RANS方程組作為求解船舶粘性流場(chǎng)特性的控制方程，質(zhì)量方程為：

動(dòng)量方程為：

式中：t為時(shí)間；ρ為流體密度；μ為流體的動(dòng)力粘性系數(shù)；ui和uj為速度分量時(shí)均值；p為靜壓；xi和xj分別為i和j方向上的位置坐標(biāo)；gi為單位質(zhì)量的重力為雷諾應(yīng)力，雷諾應(yīng)力項(xiàng)屬于未知量。本文選取k-ωSST湍流模型［6］，為使方程組封閉，需對(duì)應(yīng)力項(xiàng)作某種假設(shè)，引進(jìn)新的湍流模型，以此把應(yīng)力項(xiàng)中的脈動(dòng)值與時(shí)均值聯(lián)系起來(lái)。

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

2.1 計(jì)算模型的建立及網(wǎng)格劃分

計(jì)算選用載重量為75 000 t的散貨船為母型船，縮尺比λ= 40，船模的主要參數(shù)如表1所示。螺旋槳采用自行設(shè)計(jì)的4葉不等螺距PBC1螺旋槳，直徑D=179.25 mm。

表1 船模的主要基本參數(shù)

船體模型部分是將CAD中的型線圖導(dǎo)入ICEM，然后在ICEM中建立面，最后完成模型的建立。螺旋槳、舵板和超級(jí)導(dǎo)流管（SSD）模型則是通過(guò)Fortran程序?qū)霐?shù)據(jù)點(diǎn)，直接在ICEM中進(jìn)行建模。圖1所示為超級(jí)導(dǎo)流管三維幾何模型，圖2所示為超級(jí)導(dǎo)流管的側(cè)視圖。導(dǎo)管距離槳盤(pán)中心40 mm，根據(jù)改變開(kāi)角θ導(dǎo)流管也可分為不同型號(hào)。圖3為全附體船體模型圖。

圖1 超級(jí)導(dǎo)流管三維幾何模型

圖2 超級(jí)導(dǎo)流管側(cè)視圖

圖3 整體幾何模型圖

網(wǎng)格的劃分是CFD模擬過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié)，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響模擬精度和效率。網(wǎng)格過(guò)密會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量增大且計(jì)算難以收斂，而網(wǎng)格過(guò)疏往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不精確。假定水深無(wú)限，流域采用長(zhǎng)方體流場(chǎng)表達(dá)，為保證來(lái)流均勻，采取流域的來(lái)流入口距離船首為1倍船長(zhǎng)。為保證出口不受尾流的影響，尾流出口距離船尾設(shè)置為2倍船長(zhǎng)，水深設(shè)置為1倍船長(zhǎng)，水池寬度為2倍船長(zhǎng)。本文的計(jì)算網(wǎng)格采用混合型網(wǎng)格，即船身采用結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格，船尾部分采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格，兩部分網(wǎng)格通過(guò)Interface連接，網(wǎng)格模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 船尾部的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分

圖5 船體流域的整體網(wǎng)格

2.2 邊界條件的設(shè)定

本文研究對(duì)象是船舶的自由航行狀態(tài)。來(lái)流入口（Inlet）設(shè)定為速度入口, 即船舶航行的速度，尾流出口邊界（Outlet）定義為質(zhì)量出口邊界。數(shù)值水池表面設(shè)為壁面，選用k-ωSST湍流模型，螺旋槳的旋轉(zhuǎn)通過(guò)滑移網(wǎng)格（Frame Motion）技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，螺旋槳的小域繞槳軸以一定的角速度繞槳軸旋轉(zhuǎn)。使用有限體積法離散控制方程和湍流模式，對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用2階迎風(fēng)格式，壓力速度耦合方程的求解使用 SIMPLE 算法，離散的代數(shù)方程用Gauss-Seidel 迭代法求解，收斂判據(jù)設(shè)定為1e-07。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 無(wú)導(dǎo)管狀態(tài)下的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

對(duì)無(wú)導(dǎo)管的光體船進(jìn)行數(shù)值仿真，取8個(gè)不同航速狀態(tài)進(jìn)行CFD計(jì)算，提取出無(wú)導(dǎo)管時(shí)光體船的阻力及螺旋槳水動(dòng)力系數(shù)，并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表2-表4及下頁(yè)圖6所示。

表2 無(wú)導(dǎo)管自航螺旋槳推力值（N）

表3 無(wú)導(dǎo)管自航螺旋槳轉(zhuǎn)矩值（N·m）

表4 無(wú)導(dǎo)管自航船體阻力值（N）

圖6 無(wú)導(dǎo)管時(shí)船尾流場(chǎng)的速度云圖

通過(guò)CFD計(jì)算得到的螺旋槳推力、轉(zhuǎn)矩以及船體阻力，與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可見(jiàn)，二者十分吻合，具有良好的趨勢(shì)一致性，說(shuō)明本文采用的計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)船體的阻力及螺旋槳的水動(dòng)力性能。

3.2 加裝超級(jí)導(dǎo)管狀態(tài)下的的流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果

對(duì)裝有開(kāi)角θ=15°的超級(jí)導(dǎo)流管的船體進(jìn)行數(shù)值仿真，取8個(gè)不同航速狀態(tài)進(jìn)行CFD計(jì)算，提取出在加裝導(dǎo)流管后船體阻力及螺旋槳水動(dòng)力系數(shù)，并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表5-表7和下頁(yè)圖7所示。

表5 加裝導(dǎo)流管時(shí)螺旋槳推力值（N）

表6 加裝導(dǎo)流管時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)矩值（N·m）

表7 加裝導(dǎo)流管時(shí)船體阻力值（N）

由圖表中列出的仿真計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，通過(guò)CFD軟件計(jì)算螺旋槳推力、轉(zhuǎn)矩以及船體阻力與試驗(yàn)值吻合度很高，具有良好的趨勢(shì)一致性。通過(guò)將加裝導(dǎo)管后的計(jì)算值與裸船體對(duì)比發(fā)現(xiàn)，螺旋槳的推力有所增大，轉(zhuǎn)矩值有所減小。根據(jù)推進(jìn)效率公式計(jì)算可知，螺旋槳的推進(jìn)效率明顯增大，船體的阻力沒(méi)有發(fā)生明顯變化，說(shuō)明導(dǎo)流管對(duì)船體阻力性能的影響可以忽略不計(jì)。

圖7 加裝導(dǎo)流管時(shí)船尾流場(chǎng)的速度云圖

將加裝超級(jí)導(dǎo)流管的船尾速度分布云圖與裸船體對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)流體流經(jīng)導(dǎo)管之后會(huì)有一個(gè)加速，即在相等的航速時(shí)螺旋槳的進(jìn)流速度變大，對(duì)螺旋槳推進(jìn)效率的提高產(chǎn)生積極影響。此現(xiàn)象與上述表格中的計(jì)算值較為符合。在船尾處的流線受到超級(jí)導(dǎo)流管的作用，更貼近船體表面，避免船尾流場(chǎng)的分離而產(chǎn)生“穩(wěn)流效應(yīng)”，從而可以減小船舶的形狀阻力。由圖7還可以看出，導(dǎo)流管翼剖面內(nèi)外速度分布有一定的改變，翼背上的流速很低，而翼面的流速高，因此翼背與翼面上會(huì)形成一個(gè)壓力差，使超級(jí)導(dǎo)流管提供一個(gè)向前的推力，達(dá)到了節(jié)能效果。

表8所示為航速16.5 kn時(shí)，導(dǎo)管開(kāi)角分別為9°、10°、11°、12°、13°、14°時(shí)的螺旋槳水動(dòng)力性能，由上表中列出的仿真計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，通過(guò)CFD軟件計(jì)算而得的螺旋槳水動(dòng)力系數(shù)與試驗(yàn)值吻合度依然較高。隨著開(kāi)角的逐漸增大，螺旋槳的推力變化呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，側(cè)視圖開(kāi)角為10°時(shí)達(dá)到最小，開(kāi)角為14°時(shí)達(dá)到最大；螺旋槳的轉(zhuǎn)矩隨著開(kāi)角增大呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，且螺旋槳的轉(zhuǎn)矩在開(kāi)角為12°時(shí)達(dá)到最小，開(kāi)角為9°時(shí)達(dá)到最大。

表8 加裝不同開(kāi)角的導(dǎo)流管時(shí)螺旋槳水動(dòng)力性能

總體而言，對(duì)于不同類(lèi)型的超級(jí)導(dǎo)流管，采取本文所使用的計(jì)算方法均能獲得較好結(jié)果，這也說(shuō)明本文所采用的計(jì)算方法十分可靠。

4 結(jié) 論

采用混合網(wǎng)格技術(shù)對(duì)槳前超級(jí)導(dǎo)流管的節(jié)能效果進(jìn)行CFD驗(yàn)證，將加裝導(dǎo)流管前后的螺旋槳水動(dòng)力系數(shù)及船體阻力進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算結(jié)果表明槳前導(dǎo)流管能提高螺旋槳的推進(jìn)效率，且不會(huì)使船體阻力明顯增大。在驗(yàn)證超級(jí)導(dǎo)流管節(jié)能效果的同時(shí)，還提供一套預(yù)報(bào)船體粘性流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)后續(xù)研究工作具有重要的參考價(jià)值。

［1］ Koyama K.Comparative calculations of propeller by surface panel method-workshop organized by 20th ITTC propulsion committee［J］.Papers of Ship Research Institute，1993，15（Supplement）：57-66.

［2］ Young Y L.A BEM for prediction of unsteady mid-chord face and/ or back propeller cavitation［J］.Journal of Fluids Engineering，2001（6）：311-319.

［3］ 馬騁，錢(qián)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（5）：38-45.

［4］ 祝享元，黃勝，郭春雨，等.槳后扭曲舵的理論設(shè)計(jì)及水動(dòng)力性能計(jì)算 ［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（2）：127-129.

［5］ 蘇玉民，黃勝.用面元法預(yù)報(bào)船舶螺旋槳的水動(dòng)力性能 ［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2001（2）：41-48.

［6］ 劉志華，熊鷹，葉金銘，等.基于多塊網(wǎng)格混合的RANS方法預(yù)報(bào)螺旋槳水動(dòng)力性能的研究［J］.水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展，2007（ 4）：450-456.

［7］ 孔為平，王金寶，馮學(xué)梅.螺旋槳敞水性能數(shù)值預(yù)報(bào)方法研究 ［J］.船舶，2012（6）：13-21.

［8］ 王國(guó)強(qiáng)，盛振邦.船舶推進(jìn) ［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2003.

［9］ 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.

［10］ 張兆順，崔桂香，許春曉.湍流理論與模擬［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2004.