近岸環(huán)境下船舶側(cè)推器的水動(dòng)力性能數(shù)值分析

趙漢星,王化明, 鄔賓杰, 包輝陽

(1.浙江省海運(yùn)集團(tuán)舟山五洲船舶修造有限公司，浙江 舟山 316000;2.浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院,浙江 舟山 316022)

近岸環(huán)境下船舶側(cè)推器的水動(dòng)力性能數(shù)值分析

趙漢星1,王化明2, 鄔賓杰2, 包輝陽1

(1.浙江省海運(yùn)集團(tuán)舟山五洲船舶修造有限公司，浙江 舟山 316000;2.浙江海洋學(xué)院 船舶與海洋工程學(xué)院,浙江 舟山 316022)

對船舶在近岸環(huán)境下航行時(shí)側(cè)推器的水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究。建立艏艉側(cè)推器與船體的整體模型，利用基于RANS方程求解的粘性流數(shù)值方法，采用MRF模型，計(jì)算不同航速下艏艉側(cè)推器的性能參數(shù)、側(cè)推器附近流場，以及船舶在近岸航行時(shí)的橫向力與艏搖力矩。結(jié)果表明，近岸航行時(shí)側(cè)推器的實(shí)際效能會(huì)因船速的變化而變化，船速的不斷增加會(huì)使船舶與岸壁之間的吸引力超過側(cè)推器的推力，從而導(dǎo)致碰撞。

側(cè)推器;CFD;水動(dòng)力;MRF

各種海工供應(yīng)守護(hù)船多裝備有艏艉側(cè)推器，此類船舶需經(jīng)常航行靠泊于港口，在狹窄的航道或碼頭附近的近岸航行中，由于岸壁干擾作用，船舶會(huì)偏離原定航向，駛向岸壁。此時(shí)艏艉側(cè)推器的開啟，能夠在一定程度上減弱岸壁效應(yīng)對船舶造成的引力影響，但在船舶航速過大，水深不足的情況下，側(cè)推器的作用就會(huì)大打折扣?，F(xiàn)有的對側(cè)推器效能的研究成果多停留在單一的側(cè)推器螺旋槳的水動(dòng)力數(shù)值研究或局部的船體流場對側(cè)推器效能的影響[1-3]，少見對整船與側(cè)推器結(jié)合的水動(dòng)力數(shù)值分析研究，對艏艉側(cè)推器影響船舶操縱的研究更少。現(xiàn)有的研究方法為側(cè)推器性能的數(shù)值模擬研究提供了很好的參考，但是并不適用于預(yù)報(bào)船舶航行時(shí)側(cè)推器的性能與船舶的運(yùn)動(dòng)趨勢。為此，以安裝有艏艉側(cè)推器的Wigely船型為研究對象，對側(cè)推器的推進(jìn)性能進(jìn)行數(shù)值模擬研究，同時(shí)考慮整船流場對側(cè)推器效能的影響，利用粘性理論，采用MRF模型，研究裝備有艏艉側(cè)推器的船舶在近岸航行時(shí)的航行狀態(tài)與側(cè)推器的水動(dòng)力性能。

1 問題描述及數(shù)值方法

1.1 問題描述

船體模型主要參數(shù)：垂線間長為2.25 m，型寬為0.54 m，吃水為0.25 m。

側(cè)推器模型選用KT-88B3型艏艉側(cè)推器，其模型主要參數(shù)：槳葉模型直徑為50 mm，4葉，螺旋槳轉(zhuǎn)速100 rad/s，輸入軸旋轉(zhuǎn)方向從原動(dòng)機(jī)方向看為順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，安裝于位于0.15倍船長與0.75倍船長的船體處，安裝有艏艉側(cè)推器。

限制水域?yàn)榇怪毙桶侗冢妶D1。水深吃水比h/T取2，船舶重心距離岸壁為1.0B，船模共計(jì)13種航速，0.2～2 m/s[4]，方向?yàn)?x軸方向(x軸垂直紙面向內(nèi))，螺旋槳轉(zhuǎn)速100 rad/s。

圖1 岸壁工況

1.2 控制方程與湍流模型

假定所研究對象流體為不可壓縮流體，則該流體流場的連續(xù)方程與動(dòng)量方程如下。

(1)

(2)

式中：ui,uj──3個(gè)維度方向上的速度分量，i，j=1，2，3；

xi,xj——3個(gè)維度方向上的坐標(biāo)分量，i，j=1，2，3；

p——壓力；

ρ——流體密度；

ν——運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；

t——時(shí)間。

由于RNGk-ε模型對瞬變流與流線彎曲的影響比較敏感，對船體非定常受力計(jì)算有較好的收斂性和與精度，故采用RNGk-ε模型進(jìn)行計(jì)算。

2 網(wǎng)格劃分及邊界條件

2.1 幾何模型與計(jì)算域

側(cè)推器螺旋槳模型采用Solidwork建立，導(dǎo)入ICEM后進(jìn)行整船模型建立，見圖2、3。

來流區(qū)與尾流區(qū)分別取1倍船長與2倍船長，船側(cè)靠近于遠(yuǎn)離岸壁一側(cè)分別取0.5倍型寬與1倍船長，船底距離水底深度取1倍吃水。

圖2 側(cè)推器幾何模型

圖3 Wigley船體與側(cè)推器整體幾何模型

2.2 網(wǎng)格劃分

側(cè)推器內(nèi)部采用了混合網(wǎng)格劃分策略，螺旋槳軸向左右分別延伸1.5倍螺旋槳直徑的側(cè)推器隧道管壁內(nèi)部，采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，在側(cè)推器隧道管壁內(nèi)部靠近船側(cè)表面的部分，則采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。圖4為螺旋槳附近非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格截面圖，在隧道管壁與螺旋槳近壁處設(shè)置了邊界層，這樣使得螺旋槳水動(dòng)力的性能的計(jì)算能達(dá)到更好的精度。艏艉側(cè)推器內(nèi)部共有非結(jié)構(gòu)體網(wǎng)格數(shù)289萬。船體外流場域全部采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，包括側(cè)推器靠近船側(cè)部分，見圖5，共有六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格190萬。

這樣的混合網(wǎng)格劃分策略，有利于在數(shù)值模擬中采用MRF(Moving Reference Frame)模型，即多重參考模型進(jìn)行計(jì)算，控制計(jì)算量，提高計(jì)算效率與計(jì)算結(jié)果精度。

圖4 螺旋槳周圍體網(wǎng)格

圖5 流場域結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格

2.3 邊界條件

水的入口設(shè)置為速度入口，流速設(shè)置為從0.2～2.0 m/s，間隔0.1 m/s共13種流速；水的出口設(shè)置為出流條件；計(jì)算域的上表面與船右舷側(cè)面設(shè)置為對稱面條件；船體左舷側(cè)面與計(jì)算域底面設(shè)置為滑移壁面，速度取航速等值，船體表面設(shè)置為無滑移的固壁面條件。見圖6。

圖6 計(jì)劃域及邊界條件

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 航速對側(cè)推器螺旋槳的影響

表現(xiàn)螺旋槳性能的幾個(gè)重要參數(shù)分別為螺旋槳推力系數(shù)kt，轉(zhuǎn)矩系數(shù)kq，其表達(dá)式如下。

(3)

式中:T——槳產(chǎn)生的推力；

Q——槳的轉(zhuǎn)矩；

ρ——水的密度；

n——槳轉(zhuǎn)速；

D——槳的直徑。

在側(cè)推器轉(zhuǎn)速保持在100 rad/s時(shí)，不同航速下的艏艉側(cè)推各推力、轉(zhuǎn)矩系數(shù)變化見圖7。

圖7 各航速下艏艉側(cè)推螺旋槳推力、轉(zhuǎn)矩系數(shù)變化

由圖7可見，艏艉側(cè)推槳的推力系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨著航速的增加而增加，在0.2～2.0 m/s的航速之間，艏側(cè)推槳的推力系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)均高于艉側(cè)推槳。當(dāng)航速達(dá)到1.2 m/s時(shí)，艏側(cè)推槳的推力系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)開始低于艉側(cè)推槳的系數(shù)，并趨于平穩(wěn)。

3.2 近岸航行時(shí)側(cè)推器對船體的水動(dòng)力作用

首先對側(cè)推器在不運(yùn)轉(zhuǎn)的工況下進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到12種航速下船體因壓差而受到的橫向力FF(向岸壁方向?yàn)樨?fù))與艏搖力矩M，并進(jìn)行量綱一的綱化，得到量綱一的綱化的橫向力系數(shù)與艏搖力矩系數(shù)CF與CM[5]：

(4)

式中：ρ——水的密度；

V——航速；

L——船長；

T——吃水；

FF——船身受到的橫向力。

在艏艉側(cè)推器同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，計(jì)算13種航速的不同工況，得到側(cè)推器運(yùn)轉(zhuǎn)工況下的船身橫向受力壓差FF，船體自身艏搖力矩MS，結(jié)合側(cè)推器的推力極其作用于船身的力矩，同樣進(jìn)行無量綱化，得到

(5)

(6)

式中：FF——船身受到的橫向力；

F1、F2——艏、艉側(cè)推器推力；

MS——船體自身艏搖力矩；

M1、M2——艏、艉側(cè)推器工作時(shí)作用于船體的力矩。

圖8與圖9給出了艏艉側(cè)推器關(guān)閉與開啟時(shí)，船舶在0.20～2.0 m/s航速下的橫向力與艏搖力矩變化。

圖8 側(cè)推器關(guān)閉與開啟狀態(tài)下航速對橫向力的影響

圖9 側(cè)推器關(guān)閉與開啟狀態(tài)下航速對艏搖力矩的影響

可以看出，側(cè)推器不工作時(shí)，隨著速度的增加，橫向力系數(shù)保持在一個(gè)穩(wěn)定的數(shù)值范圍，船舶受到非常明顯的岸壁吸引力。

當(dāng)速度達(dá)到1.40 m/s左右，船舶的艏搖狀態(tài)從船艏傾向岸壁狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榇簝A向岸壁，并保持著較為明顯的增強(qiáng)趨勢。

由圖8可見，航速在0.70 m/s以下，艏艉側(cè)推器開啟后所提供的推力有效地抵消了岸壁對船舶的吸引。隨著船速的進(jìn)一步增加，船舶仍會(huì)被岸壁所吸引，做靠岸運(yùn)動(dòng)。

分析圖9，在0.70 m/s以下的航速，即側(cè)推器提供推力大于岸壁對船只吸引力的航速范圍內(nèi)，船舶的艏搖方向在航速大約為0.60 m/s時(shí)會(huì)發(fā)生改變，從船艏傾向岸壁轉(zhuǎn)變?yōu)榇簝A向岸壁；航速增加到0.70 m/s以上，側(cè)推器失效，船舶受岸壁吸引，艏搖現(xiàn)象非常明顯。

3.3 壓力場分析

圖10～12給出了0.20、0.70、2.00 m/s 3種航速下，Z=0.02界面處，艏側(cè)推器通道附近壓力云圖。

圖10 V=0.20 m/s，z=0.02界面艏側(cè)推附近壓力

圖11 V=0.70 m/s，z=0.02界面艏側(cè)推附近壓力

圖12 V=2.00 m/s，z=0.02界面艏側(cè)推附近壓力

可以看出，航速較小時(shí)，船側(cè)流場對側(cè)推器入流端與出流端的影響較小，在側(cè)推器的入流端附近，會(huì)產(chǎn)生分部較為均勻的低壓區(qū)；隨著航速的增加，船側(cè)來流沖擊側(cè)推器的入流端，使側(cè)推器螺旋槳獲得了與普通螺旋槳類似的來流進(jìn)速，這是側(cè)推器螺旋槳的推力與轉(zhuǎn)矩隨著航速增大而增加的一個(gè)主要原因；當(dāng)航速增大到一定程度時(shí)，沿船側(cè)船長方向的兩側(cè)來流對側(cè)推器隧道內(nèi)部流場作用形成了明顯的負(fù)壓場，側(cè)推器出流被明顯抑制，側(cè)推器此時(shí)產(chǎn)生的推力，已明顯小于岸壁對船體的吸引力，船體將向岸壁靠近。

4 結(jié)論

1)隨著航速的增加，側(cè)推器螺旋槳的推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)均有明顯的上升。在低航速條件下，艏側(cè)推螺旋槳的推力系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)略高于艉側(cè)推螺旋槳，隨著航速進(jìn)一步增大，艉側(cè)推器螺旋槳的推力系數(shù)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)開始高于艏側(cè)推器螺旋槳。

2)低航速條件下的近岸航行，側(cè)推器的開啟能有效地避免船舶與岸壁的碰撞。隨著航速的增加，側(cè)推器的效能會(huì)明顯減弱。

3)艏艉側(cè)推器轉(zhuǎn)速保持一致，并且船舶處于較低航速時(shí)，側(cè)推器雖能有效抵抗岸壁對船舶的吸引力，但仍然可能會(huì)發(fā)生船艏向岸壁靠近的現(xiàn)象。

4)側(cè)推器入流端與出流端受來流的影響，會(huì)產(chǎn)生比較明顯的渦流，干擾側(cè)推器隧道內(nèi)部流場，從而會(huì)在一定程度上影響側(cè)推器的推進(jìn)效率。

[1] 閆長健.艏艉側(cè)推器操縱效能仿真研究[D].大連：大連海事大學(xué),2008.

[2] 陳偉民,倪士龍.全方位推進(jìn)器與首側(cè)推器綜合作用對船舶操縱性能的影響[J].上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào),2005(1):11-14.

[3] 崔冬權(quán).軸隧式側(cè)推器推力計(jì)算及總布置的初步探討[J].江蘇船舶,2012(4):17-18+23.

[4] 徐周華.船舶首側(cè)推器適用的船速域[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)(交通科學(xué)與工程版),2002(1):116-119.

[5] 姚建喜,鄒早建.船舶近岸航行岸壁效應(yīng)數(shù)值研究[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)：交通科學(xué)與工程版,2011(3):435-438.

Numerical Study on Hydrodynamic Performance of Side Thrusters near Bank

ZHAO Han-xing1, WANG Hua-ming2, WU Bin-jie2, BAO Hui-yang1

(1 Zhoushan Wuzhou Ship Repairing & Building Co., Ltd., Zhoushan, Zhejiang, 316000, China;2 School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316022, China)

The hydrodynamics performance of side thrusters of ship sailing near-bank is studied numerically. The integrated model of side thrusters and hull is established, and MRF mode is adopted. The flow field near the thrusters and the hydrodynamic lateral forces and yaw moments on the ship nearing the bank are calculated for different speeds, and then performance parameters of the bow and astern thrusters are obtained. The results show that the actual performance of side thrusters under near-bank sailing varies with ship's speed, and the attractive force between ship and bank may exceed the thrust with the increase of the speed, which may lead to collision.

side thrusters; CFD; hydrodynamics performance; MRF

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.016

2014-08-25

國家自然科學(xué)基金(51109186); 國家星火計(jì)劃項(xiàng)目(2013GA700256); 舟山市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2013C11004)

趙漢星(1956-)，男，學(xué)士，高級工程師

U661.3

A

1671-7953(2015)01-0064-05

修回日期：2014-09-26

研究方向:船舶設(shè)計(jì)與制造

E-mail:zhaohanxing@126.com