導(dǎo)管調(diào)距槳實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)的簡(jiǎn)化CFD計(jì)算

張 弘劉愛(ài)兵鄒 義劉 艷李海濤

（1.大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，大連116024；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海200031；3.大連理工大學(xué)能源動(dòng)力學(xué)院）

導(dǎo)管調(diào)距槳實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)的簡(jiǎn)化CFD計(jì)算

張 弘1劉愛(ài)兵2鄒 義2劉 艷3李海濤1

（1.大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院，大連116024；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所，上海200031；3.大連理工大學(xué)能源動(dòng)力學(xué)院）

為了獲得實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)和推力減額系數(shù)，一般情況下要進(jìn)行船槳自航實(shí)驗(yàn)。在導(dǎo)管調(diào)距槳的自航實(shí)驗(yàn)中，由于需要測(cè)量導(dǎo)管的推力以及調(diào)節(jié)螺距比，會(huì)增加實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜程度。近年來(lái)，數(shù)值水池的應(yīng)用得到了廣泛關(guān)注。但由于計(jì)算模型通常為整條船和槳，幾何模型復(fù)雜且計(jì)算量大。針對(duì)船體較長(zhǎng)且具有平行中體的船舶，本文探索了一種簡(jiǎn)化模型方法即考慮半個(gè)船模和槳，忽略船首對(duì)尾部半流的影響。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，滿載和壓載工況下計(jì)算得到的伴流分?jǐn)?shù)誤差均約在4%左右。本文的研究表明在缺少實(shí)驗(yàn)條件的情況下，簡(jiǎn)化模型的CFD方法可以作為研究伴流分?jǐn)?shù)的有效手段。

導(dǎo)管調(diào)距槳 自航試驗(yàn) 簡(jiǎn)化模型 CFD 伴流分?jǐn)?shù)

0 引言

研究螺旋槳性能時(shí)，不僅需要考慮螺旋槳的敞水性能，同時(shí)還要考慮船體對(duì)螺旋槳產(chǎn)生的影響。在敞水中，槳前的來(lái)流是均勻的，槳在船后時(shí)，由于槳和船體的相互影響，槳前伴流不均勻，這樣，槳的水動(dòng)力性能和空化性能就與敞水性能不一致。船后伴流分為標(biāo)稱(chēng)伴流和實(shí)效伴流，其中標(biāo)稱(chēng)伴流一般不考慮螺旋槳對(duì)船體尾部流場(chǎng)的影響，而實(shí)效伴流則考慮，因此，通常所說(shuō)的伴流分?jǐn)?shù)指的是考慮螺旋槳工作時(shí)的實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)。船模自航試驗(yàn)所得到的結(jié)果為實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)。

目前CFD技術(shù)日趨成熟，已成為預(yù)報(bào)螺旋槳敞水性能、自航性能的重要研究方法。華中科技大學(xué)的楊琴等人［1］采用CFD方法對(duì)SUBOFF潛艇模型的自航性能進(jìn)行了研究，對(duì)全附體的艇體的壓力分布進(jìn)行了仿真，獲得了合理的結(jié)果。哈爾濱工程大學(xué)的趙大剛等人［2］利用STAR-CCM軟件對(duì)帶自由表面的KCS船槳模型的水動(dòng)力性能進(jìn)行了預(yù)報(bào)，與試驗(yàn)值吻合較好。702研究所的張楠等人［3］采用了VOF方法對(duì)帶有自由液面的艇／槳干擾特性進(jìn)行了研究，計(jì)算了槳在艇后的推力扭矩并與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了計(jì)算的可靠性。哈爾濱工程大學(xué)的郭春雨等人［4］通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方法，研究了不同船型系數(shù)，螺旋槳參數(shù)對(duì)實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)的影響。海軍工程大學(xué)的襲鵬等人［5］采用CFD方法對(duì)多槳船舶的自航因子進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào)，分析了數(shù)值計(jì)算的可靠性以及各個(gè)螺旋槳的性能。

由上面文獻(xiàn)中的研究方法可以看出，采用CFD方法研究船槳匹配問(wèn)題時(shí)絕大多數(shù)計(jì)算模型都是考慮整條船和槳。這樣既可以得到船模阻力又可以得到船后螺旋槳的性能，獲得辦理分?jǐn)?shù)和推力減額分?jǐn)?shù)，進(jìn)而評(píng)估船和槳的匹配性能。但是這種建模方式所需網(wǎng)格數(shù)量巨大，需要大量的計(jì)算時(shí)間。如果無(wú)需分析船模阻力，只考慮船尾伴流對(duì)槳性能的影響，只對(duì)船體后半部分以及螺旋槳進(jìn)行研究是一種可取途徑?？梢哉J(rèn)為，如果船體較長(zhǎng)且具有平行中體，尾部伴流受船首的影響較小，此種情況下，這種簡(jiǎn)化的模型即半個(gè)船體和槳放在一起計(jì)算是可行的，可以研究實(shí)效伴流對(duì)槳性能的影響?；诖?，本文采用STAR-CCM軟件研究船后伴流對(duì)某導(dǎo)管調(diào)距槳槳性能的影響，進(jìn)而獲得實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)和推力減額分?jǐn)?shù)，并與自航試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較驗(yàn)證簡(jiǎn)化模型的可靠性。

1 計(jì)算模型

1.1 船體模型

實(shí)船船長(zhǎng)為108 m，設(shè)計(jì)吃水為6.9 m，螺旋槳直徑為4.25 m，自航試驗(yàn)采用30∶1的縮尺比，而敞水試驗(yàn)采用17∶1的縮尺比。為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)船體作如下簡(jiǎn)化：

（1）去掉船體的前半部分，不考慮船首，選擇從第十站開(kāi)始的后半部分模型；（2）去掉水線面以上部分，不考慮自由液面的影響；（3）導(dǎo)管支架對(duì)槳盤(pán)的流場(chǎng)影響很小，忽略其影響；（4）不考慮舵的影響。圖1顯示的是簡(jiǎn)化的船和槳幾何模型。圖2是放大的船尾部分模型。

圖2 船體尾部螺旋槳模型（左）和實(shí)物（右）Fig.2 Propeller model（left）and actual object（right）installed at the stern

1.2 螺旋槳模型

試驗(yàn)所使用的螺旋槳是中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第704研究所設(shè)計(jì)的導(dǎo)管調(diào)距槳，其中導(dǎo)管為37導(dǎo)管，其剖面形狀如圖3所示，槳葉為側(cè)斜槳，實(shí)槳直徑為4.25 m，導(dǎo)管與槳的間隙為0.1%D（D為槳的直徑）。自航試驗(yàn)縮尺比為30∶1，模型槳的直徑為141.7 mm，自航試驗(yàn)螺距比為1.31，模型示意如圖4所示（實(shí)物見(jiàn)圖2）。

1.3 計(jì)算域和計(jì)算方法

本文選取了兩種工況進(jìn)行研究，分別是滿載和壓載，其中滿載的實(shí)船吃水為6.9 m，換算到船模上為230 mm；壓載的實(shí)船吃水為4.8 m，換算到船模上為160 mm。

圖4 計(jì)算導(dǎo)管螺旋槳模型圖Fig.4 Computational model of the ducted propeller

兩種工況下的計(jì)算域均為長(zhǎng)方體，如圖5所示，左端面為入口，右端面為出口，其中船底部到下壁面距離為1倍船長(zhǎng)，船尾到后端面為2倍的船長(zhǎng)，船側(cè)到計(jì)算域側(cè)壁面距離為0.5倍的船長(zhǎng)。由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)，因此計(jì)算動(dòng)域選取為槳周?chē)囊粋€(gè)圓柱，圓柱表面和周?chē)o止域交界面就是動(dòng)、靜交界面。

計(jì)算中，入口給定均勻速度，出口給定壓力，上端面為水線面，此面采用對(duì)稱(chēng)面。下壁面以及側(cè)壁面采用滑移壁面。數(shù)值計(jì)算是通過(guò)使用軟件STAR-CCM完成的，湍流模型選用Realizable k-ε兩方程模型，定常計(jì)算。網(wǎng)格總數(shù)為400萬(wàn)。

圖5 滿載（左）與壓載（右）計(jì)算域模型Fig.5 Computational domains for full load（left）and ballast（right）conditions

2 自航試驗(yàn)簡(jiǎn)介

船模自航試驗(yàn)是在大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院拖曳水池中進(jìn)行的，采用自航動(dòng)力儀測(cè)量船體和螺旋槳的相關(guān)參數(shù)。由于是導(dǎo)管槳，測(cè)量導(dǎo)管推力的導(dǎo)管測(cè)量臂需要穿過(guò)船體，給密封增加了一些難度。試驗(yàn)裝置圖如圖6所示。

圖6 自航試驗(yàn)照片F(xiàn)ig.6 Picture of self-propulsion test

3 計(jì)算結(jié)果和分析

下面給出導(dǎo)管螺旋槳的推力系數(shù)（KT）、扭矩系數(shù)（KQ）和效率（η）的計(jì)算公式：

其中T為總推力，Q為扭矩；J＝VA／n D，為進(jìn)速系數(shù)，式中VA為進(jìn)速；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；D為螺旋槳直徑。對(duì)于導(dǎo)管的推力系數(shù)，將公式中的T用導(dǎo)管推力TN代替。

3.1 滿載工況

表1給出了不同航速時(shí)船模自航試驗(yàn)測(cè)得的和數(shù)值模擬計(jì)算獲得的推力和扭矩。表1中的Vm是拖車(chē)的速度也就是試驗(yàn)來(lái)流速度，Vs是實(shí)船的航速。由表1可以看出，與試驗(yàn)值相比，推力計(jì)算值的平均誤差為6.227%，扭矩計(jì)算的誤差除了進(jìn)速最小的那個(gè)工況誤差較大外，其余工況的比較小，盡管如此，計(jì)算扭矩的平均誤差為5.341%。從計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的誤差來(lái)看，用簡(jiǎn)化的幾何模型計(jì)算自航試驗(yàn)，得到的結(jié)果還是比較可靠和可信的。這種簡(jiǎn)化模型大量減小了網(wǎng)格數(shù)量，使得計(jì)算速度大幅提升，可用于數(shù)值研究船舶的自航試驗(yàn)，為驗(yàn)證螺旋槳性能和槳優(yōu)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)。

表1 滿載工況時(shí)自航試驗(yàn)結(jié)果和k-ε模型計(jì)算結(jié)果Table 1 Self-propulsion test data and numerical results fromthe k-εmodel at the full loading condition

為了獲得試驗(yàn)伴流分?jǐn)?shù)，需要用到自航試驗(yàn)和敞水試驗(yàn)兩個(gè)試驗(yàn)結(jié)果。具體步驟是在敞水性能的推力系數(shù)曲線上找到每個(gè)自航點(diǎn)的推力系數(shù)，得到該推力系數(shù)對(duì)應(yīng)的敞水試驗(yàn)的進(jìn)速，根據(jù)此進(jìn)速和自航點(diǎn)的進(jìn)速進(jìn)而獲得伴流分?jǐn)?shù)。

敞水性能試驗(yàn)是在大連理工大學(xué)船舶工程學(xué)院試驗(yàn)水池進(jìn)行的，導(dǎo)管槳試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛨D如7所示，縮尺比為17∶1。

圖7 敞水試驗(yàn)?zāi)Ｐ图霸囼?yàn)照片F(xiàn)ig.7 Open water test model and test picture

圖8給出了螺距比為1.309時(shí)螺旋槳的敞水性能試驗(yàn)結(jié)果。按照前面所述方法得到相同推力系數(shù)時(shí)的敞水進(jìn)速，繼而獲得伴流分?jǐn)?shù)w（ω＝1－D），結(jié)果見(jiàn)表2。

由表2可以看出，在小進(jìn)速和大進(jìn)速工況，CFD得到的伴流分?jǐn)?shù)誤差比較大，中間進(jìn)速誤差較小，但平均預(yù)測(cè)誤差為3.29%，小于10%，工程上是可以接受的。另外由于伴流分?jǐn)?shù)數(shù)值較小，對(duì)誤差比較敏感，因而導(dǎo)致伴流分?jǐn)?shù)的計(jì)算值的與真實(shí)值附近上下偏移。

圖8 敞水試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Open water test results

表2 滿載工況下伴流分?jǐn)?shù)試驗(yàn)值和CFD計(jì)算結(jié)果比較Table 2 Comparison of experimental and predicted wake fractionsat the full loading condition

3.2 壓載情況下的計(jì)算結(jié)果

壓載工況下的水線面更靠近螺旋槳。表3給出了自航試驗(yàn)不同工況下導(dǎo)管槳總推力、扭矩的試驗(yàn)值和CFD計(jì)算結(jié)果以及相應(yīng)的計(jì)算誤差。由該表得到CFD計(jì)算得到的總推力、扭矩的計(jì)算誤差分別為4.02%和4.09%，計(jì)算準(zhǔn)確度與滿載工況相當(dāng)，進(jìn)而說(shuō)明本文的簡(jiǎn)化計(jì)算策略合理和可靠。

表3 壓載工況試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果Table 3 Test and calculated results at the ballast condition

表4 壓載工況下試驗(yàn)和計(jì)算的伴流分?jǐn)?shù)結(jié)果Table 4 Experimental and predicted wake fractionsat the ballast condition

采用滿載工況的計(jì)算方法，同樣可以得到壓載工況的伴流分?jǐn)?shù)，計(jì)算結(jié)果如表4所示。

由表4可以看出，壓載工況下的伴流分?jǐn)?shù)計(jì)算誤差在10%內(nèi)，基本滿足工程需要。

3.3 滿載與壓載工況下槳前流場(chǎng)比較

圖9顯示的是滿載、壓載和敞水工況下，來(lái)流速度均為Vm＝1.127 m／s時(shí)，槳前8%D截面的軸向速度云圖。與敞水工況下的云圖比較，可以發(fā)現(xiàn)：滿載和壓載工況下船后螺旋槳前的流場(chǎng)較相似但不均勻，滿載工況的流場(chǎng)周向變化更加劇烈，對(duì)槳性能帶來(lái)不利影響。

圖9 不同工況下槳前某截面速度分布云圖Fig.9 Velocity distribution contours at a plane upstream of the propeller for different conditions

4 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)和簡(jiǎn)化的CFD方法對(duì)某節(jié)能型大型遠(yuǎn)洋漁船的導(dǎo)管調(diào)距槳槳進(jìn)行了自航和敞水性能研究，得到如下結(jié)論：

（1）采用半個(gè)船體模型的CFD策略，獲得了合理的滿載和壓載工況下的螺旋槳性能參數(shù)以及伴流分?jǐn)?shù)。計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合較好，精度符合工程要求。說(shuō)明簡(jiǎn)化的處理方法是可行的。因此對(duì)于具有平行中體且船長(zhǎng)較長(zhǎng)的船舶，可以采用半個(gè)船體模型的CFD方法進(jìn)行自航數(shù)值試驗(yàn)，既能節(jié)約計(jì)算資源又能快速獲得船后槳的性能，為評(píng)估船槳匹配提供有價(jià)值的參考。

（2）對(duì)于采用導(dǎo)管槳或者導(dǎo)管調(diào)距槳的漁船、拖船等船舶，在測(cè)量導(dǎo)管推力較為困難的自航試驗(yàn)中，可以采用這種簡(jiǎn)化模型來(lái)得到導(dǎo)管推力。

（3）由于本文采用簡(jiǎn)化模型，只考慮了部分船長(zhǎng)且沒(méi)有考慮自由液面的影響，所以不能用來(lái)計(jì)算船模阻力。此外，本文的計(jì)算精度可以通過(guò)非定常計(jì)算進(jìn)一步提高，這是未來(lái)要做的工作。

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Simplified CFD calculations for the effective wake fraction of ductedcontrollable pitch propellers

Zhang Hong1Liu Aibing2Zou Yi2Liu Yan3Li Haitao1
（1.School of Naval Architecture，Dalian University of Technology，Dalian 116024，China；2.Shanghai Marine Equipment Research Institute，Shanghai 200031，China；3.School of Energy and Power Engineering Architecture，Dalian University of Technology，Dalian 116024）

Self-propulsion tests of a ship and a propeller are generally required in order to obtain effective wake fractions and thrust reduction coefficients.For ducted controllable-pitch propellers，the complexity of measurement is increased because of the need to measure thrust of the duct and to adjust the pitch ratio.Application of numerical towing tanks have been attracted attention in recent years.However due to the computational domain involving the whole hull and propeller，the geometrical model is complex and the amount of computation is huge.For a long ship with a parallel middle body，a simplified ship model involving only half of the ship and a propeller is explored in this paper.The effect of the ship bow on the wake is ignored.Compared with measurements，an error for computed effective wake fractions is about 4%for both full loading and ballast conditions.This result shows that the current simplified method can be used to predict effective wake coefficients when lacking of experimental facility.

Ducted controllable-pitch propeller self-propulsion test simplified model CFD wake fraction

U664.33

A

1006-8244（2015）04-027-05

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2009AA045002）

張 弘（1991－），男，碩士研究生。研究方向?yàn)榇八畡?dòng)力。