渦旋流堵漏槳葉位置與堵漏效果關(guān)系機(jī)理

韓云東， 高占勝， 楊常青， 謝田華， 杜蓬杉

(海軍大連艦艇學(xué)院 航海系， 遼寧 大連 116018)

渦旋流堵漏槳葉位置與堵漏效果關(guān)系機(jī)理

韓云東， 高占勝， 楊常青， 謝田華， 杜蓬杉

(海軍大連艦艇學(xué)院 航海系， 遼寧 大連 116018)

為克服現(xiàn)有堵漏手段的不足，提出一種新技術(shù)方法——船舶渦旋流堵漏方法。根據(jù)物理試驗(yàn)的具體情況，在利用Gambit軟件完成槳葉實(shí)體和計(jì)算域模型建模的基礎(chǔ)上，通過Fluent軟件完成剛性槳葉生成渦旋流的數(shù)值仿真，根據(jù)仿真得到的渦旋流場速度矢量和壓強(qiáng)分布，對試驗(yàn)得出的槳葉工作位置對破口進(jìn)水量的影響規(guī)律進(jìn)行理論剖析，進(jìn)而從運(yùn)行機(jī)理上揭示槳葉位置與渦旋流形成效果的關(guān)系。

船舶;艦船工程；損害管制；計(jì)算流體動力學(xué)；堵漏；渦旋流；槳葉

船舶渦旋流堵漏技術(shù)是指通過專用設(shè)備在船舶破口外側(cè)形成局部渦旋流場，使破口處的海水高速旋轉(zhuǎn)，大幅減小海水的壓力，明顯降低(甚至是消除)破口進(jìn)水速度，同時(shí)輔以傳統(tǒng)的堵漏方式，從而使堵漏的實(shí)施難度得到明顯降低，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)便捷、快速的堵漏，達(dá)到提高艦船堵漏效率的目的。[1-5]

金良安等[1]對船舶渦旋流堵漏的思想、基本原理及柔性槳葉和剛性槳葉生成的渦旋流對破口進(jìn)水量的影響等進(jìn)行初步研究；韓云東等[5]對剛性槳葉位置與渦旋流形成效果的關(guān)系進(jìn)行試驗(yàn)，定量研究槳葉工作位置對破口進(jìn)水量的影響規(guī)律，揭示槳葉位置對渦旋流堵漏效果的影響。文獻(xiàn)[2]～文獻(xiàn)[4]從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析的角度研究渦旋流堵漏方法，但缺少渦旋流運(yùn)行機(jī)理方面的分析。本文針對上述研究成果，利用計(jì)算流體動力學(xué)(Computation Fluid Dynamics, CFD)技術(shù)對剛性槳葉生成的堵漏渦旋流場進(jìn)行數(shù)值仿真，根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)一步從理論層面對渦旋流形成位置和艦船堵漏效果的影響規(guī)律進(jìn)行機(jī)理分析。

1 堵漏渦旋流的物理試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

采用專用的試驗(yàn)裝置(見圖1)進(jìn)行物理試驗(yàn)。將驅(qū)動槳葉旋轉(zhuǎn)的電機(jī)的轉(zhuǎn)速及剛性槳葉與破口在水平方向上的距離固定，改變槳葉與破口在垂直方向上的距離，即在破口附近不同高度上裝置相同轉(zhuǎn)速的槳葉，形成高速渦旋流場。在有渦旋流的情況下測量到達(dá)模擬的破損艙室內(nèi)指定液位所用的時(shí)間。分析比較所用時(shí)間的變化，得到剛性槳葉工作位置與渦旋流堵漏效果之間的關(guān)系。

圖1 試驗(yàn)裝置示意

葉片可調(diào)式渦旋流生成器通過特定的槳葉在水中生成所需的渦旋流，由驅(qū)動電機(jī)、軸桿和剛性槳葉組成。剛性槳葉是在直徑為1.5 cm，長度為8 cm的管軸上，沿管軸圓周方向均勻排列4片8 cm×3 cm的鋼制葉片(見圖2)。轉(zhuǎn)動時(shí)依靠槳葉與水的相互作用生成渦旋流。

圖2 剛性槳葉

1.2 試驗(yàn)方法

測定試驗(yàn)水池水深為53 cm，破口距水面高度17 cm，將槳葉浸深H設(shè)定為9 cm，依次調(diào)整為11 cm，13 cm，15 cm和17 cm。當(dāng)H=13 cm時(shí)，槳葉中心高度與破口中心高度平齊。試驗(yàn)以“破艙進(jìn)水時(shí)間”為指標(biāo)，按照指定的試驗(yàn)方法，分別測量剛性槳葉入水深度為9～17 cm時(shí)在不同破口距離下的“破艙進(jìn)水時(shí)間”值。

1.3 試驗(yàn)結(jié)果

首先測得靜水下的進(jìn)水時(shí)間T=40 s，然后分別測定剛性槳葉浸深H=9 cm，11 cm，13 cm，15 cm和17 cm時(shí)，在不同破口距離L值下的進(jìn)水時(shí)間T值。每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行3次，取其平均值，測量結(jié)果見表1。

由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：當(dāng)剛性槳葉與破口處在同一高度附近時(shí)，距離破口越近，生成的渦旋流對延長堵漏時(shí)間、降低破口進(jìn)水量的效果越明顯。

2 堵漏渦旋流的CFD仿真

表1 剛性槳葉不同位置時(shí)進(jìn)水時(shí)間的測量值 s

CFD方法是以黏性流理論為基礎(chǔ)，以數(shù)值計(jì)算方法為手段，通過數(shù)值仿真試驗(yàn)獲取相應(yīng)水動力的一種方法。該方法已成為模型試驗(yàn)的一種輔助手段，并正逐漸成為與模型試驗(yàn)同等重要的試驗(yàn)流體力學(xué)的研究方法。[6-8]

2.1 槳葉模型建立

根據(jù)“1.1”節(jié)中的試驗(yàn)?zāi)Ｐ统叽?，剛性槳葉是由4片8 cm×3 cm的鋼片均勻地焊接在鋼管上形成的，其結(jié)構(gòu)見圖3，其中：D為剛性槳葉的直徑；di為槳轂內(nèi)徑；do為槳轂外徑；T為槳葉徑向長度；L為槳葉寬度；d為槳葉厚度。

a)側(cè)視圖b)俯視圖

圖3 剛性槳葉結(jié)構(gòu)示意

剛性槳葉的參數(shù)：槳轂內(nèi)徑di=1 cm；槳轂外徑do=2 cm；槳葉徑向長度T=3 cm；槳葉寬度L=8 cm；槳葉厚度d=0.3 cm。對于剛性槳葉需在槳葉固定器上加裝的葉片，也采用相同規(guī)格、厚度d=1.5 mm的白鋼片制作。首先運(yùn)用軟件Gambit進(jìn)行槳葉實(shí)體建模，包括中心槳軸和4個(gè)葉片；然后在槳葉上劃分非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，槳葉網(wǎng)格分布見圖4。

2.2 計(jì)算域模型建立

圖4 槳葉網(wǎng)格分布

為實(shí)現(xiàn)槳葉旋轉(zhuǎn)過程的動態(tài)數(shù)值模擬，將整個(gè)流體計(jì)算域分為旋轉(zhuǎn)動域和外部靜域。在數(shù)值模擬過程中，旋轉(zhuǎn)動域隨槳葉一起運(yùn)動，從而實(shí)現(xiàn)CFD計(jì)算的動邊界模擬。在旋轉(zhuǎn)動域和外部靜域的交界處設(shè)置Interface邊界，實(shí)現(xiàn)內(nèi)外流域的流場數(shù)據(jù)傳遞和交換。同時(shí)，為保證計(jì)算邊界對槳葉旋轉(zhuǎn)沒有影響，該計(jì)算沿x軸和y軸到槳葉的距離為5D(槳葉徑向最大半徑)，沿z軸到槳葉的距離為3h(槳葉軸向高度)，見圖5。

圖5 堵漏渦旋流計(jì)算域分區(qū)

分別在旋轉(zhuǎn)動域和外部靜域上劃分三維非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格。在槳葉附近采用0.001 m的網(wǎng)格尺寸進(jìn)行近壁面網(wǎng)格劃分，在此基礎(chǔ)上以一定的比例逐漸向外進(jìn)行網(wǎng)格尺度遞增，從而在保證近壁面網(wǎng)格數(shù)量足夠的前提下最大限度地減少計(jì)算域內(nèi)總體網(wǎng)格的數(shù)目，提高數(shù)值計(jì)算效率。最終計(jì)算域共包含四面體非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格117萬個(gè)，最差網(wǎng)格的扭曲度為0.807(滿足三維數(shù)值計(jì)算要求)。計(jì)算域總體情況見圖6。

2.3 渦旋流仿真

將建好的槳葉旋轉(zhuǎn)模型導(dǎo)入到CFD數(shù)值求解軟件Fluent中，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算模型和相關(guān)參數(shù)的具體設(shè)置：

1) 利用1st-order implicit格式的Unsteady非定常數(shù)值計(jì)算模型。

2) 基于單元中心的Green-Gauss格式計(jì)算流場變量梯度。

圖6 計(jì)算域總體情況

3) 建立基于k-ε的兩方程湍流模型，使用Standard Wall Functions進(jìn)行近壁面處理。

4) 設(shè)置槳葉和旋轉(zhuǎn)動域以400 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，根據(jù)Moving Mesh模型處理移動邊界問題，在動域和靜域交界面處設(shè)置Interface邊界條件，實(shí)現(xiàn)移動的交錯網(wǎng)格之間的數(shù)值傳遞。

5) 將計(jì)算域上部邊界設(shè)置為Pressure-Outlet壓力出口邊界條件，其他外邊界設(shè)置為Symmetry對稱邊界條件。

6) 槳葉設(shè)置為wall壁面邊界條件；流場壓強(qiáng)和速度采用PISO的壓強(qiáng)修正法計(jì)算，計(jì)算格式為PRESTO；其他計(jì)算均采用二階計(jì)算格式。

通過仿真就能得到剛性槳葉生成船舶堵漏渦旋流場的速度矢量和壓強(qiáng)分布情況。

3 仿真結(jié)果分析

針對得到的堵漏渦旋流的CFD仿真結(jié)果，從槳葉軸向中心位置剖面和槳葉垂向剖面，分別對仿真生成的渦旋流場的速度矢量和壓強(qiáng)分布進(jìn)行分析。

3.1 槳葉軸向中心位置剖面的渦旋流場分析

圖7為槳葉軸向中心位置剖面的渦旋流場速度矢量分布。從圖7中可看出，在槳葉旋轉(zhuǎn)過程中，近壁面流體質(zhì)點(diǎn)會隨槳葉一起旋轉(zhuǎn)，形成渦旋流。在葉輪區(qū)內(nèi)部，流體質(zhì)點(diǎn)速度隨到槳葉中心軸的距離的增加而逐漸增大，并在槳葉邊緣處取得最大值(見圖7中靠近槳葉的區(qū)域)。此外，在主渦旋流區(qū)，流體質(zhì)點(diǎn)同樣作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，并隨到槳葉邊緣距離的增加而呈遞減趨勢。

圖8為槳葉軸向中心位置剖面的渦旋流場壓力分布。從圖8中可看出，在槳葉旋轉(zhuǎn)過程中，高速旋轉(zhuǎn)的渦旋流生成器驅(qū)動水體旋轉(zhuǎn)，形成葉輪區(qū)，在葉輪區(qū)流體的誘導(dǎo)下，主渦旋流區(qū)的流體形成接近于二維流動條件的平面自由渦。葉輪區(qū)的流體在徑向速度的作用下被不斷甩出葉輪區(qū)，從而使葉輪區(qū)軸向中心形成一個(gè)低壓的壞境。近壁面流體質(zhì)點(diǎn)會隨槳葉一起旋轉(zhuǎn)，形成渦旋流。在葉輪區(qū)和主渦旋流區(qū)，壓強(qiáng)隨到槳葉中心軸的距離的增加而逐漸增大，但壓強(qiáng)梯度呈逐漸變小的趨勢。

圖7 槳葉軸向中心位置剖面的渦旋流場速度矢量分布

圖8 槳葉軸向中心位置剖面的渦旋流場壓力分布

3.2 槳葉垂向中心位置剖面的渦旋流場分析

圖9為槳葉垂向剖面的渦旋流場速度矢量分布。從圖9中可看出，槳葉產(chǎn)生的渦旋流分布在槳葉周圍，整個(gè)水體在槳葉的驅(qū)動下發(fā)生劇烈的湍流運(yùn)動，宏觀上符合渦旋流的運(yùn)動形態(tài)。在葉輪區(qū)，流體的速度矢量呈黃綠色，說明該區(qū)域的水體運(yùn)動矢量最大；在主渦旋流區(qū)，靠近槳葉處流體的速度矢量呈綠色，說明該區(qū)域的水體運(yùn)動矢量較大，而隨著遠(yuǎn)離槳葉，速度矢量呈淡藍(lán)色，即速度矢量逐漸減?。辉谏箱鰞?nèi)渦區(qū)和下漩內(nèi)渦區(qū)(渦旋流的上部和下部)，流體的速度矢量均呈藍(lán)色，該區(qū)域是速度矢量最小的區(qū)域，說明下漩內(nèi)渦區(qū)和上漩內(nèi)渦區(qū)(即旋轉(zhuǎn)槳葉的上下端)是渦旋流速度較小的區(qū)域，即在上下端部呈現(xiàn)三維效應(yīng)，旋轉(zhuǎn)速度較中心位置變低。

圖9 槳葉垂向剖面的渦旋流場速度矢量分布

圖10為槳葉垂向剖面的渦旋流場壓力分布。從圖10中可看出，槳葉產(chǎn)生的渦旋流由于重力的作用，上端渦旋流影響的范圍比較廣，渦旋流影響的范圍自上向下逐漸減小，最下端渦旋流影響的范圍最小。

圖10 槳葉垂向剖面的渦旋流場壓力分布

4 槳葉位置對堵漏效果影響的機(jī)理分析

針對物理試驗(yàn)得出的關(guān)系規(guī)律，結(jié)合上述渦旋流CFD數(shù)值仿真分析結(jié)果，對上述影響規(guī)律的運(yùn)行機(jī)理進(jìn)行分析。伯努利方程是理想流體穩(wěn)定流動時(shí)的動力學(xué)基本規(guī)律[9]，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

p+1/2ρv2+ρgH=恒量

(1)

式(1)表明：理想流體在穩(wěn)定流動時(shí)，在同一流管不同截面處，單位體積流體的動能、勢能與該處壓強(qiáng)之和都是相等的。[10]根據(jù)伯努利原理，破口處海水沿船舶外板水平切線方向的速度越大，其作用于破口的側(cè)壓力越小。因此，只要設(shè)法增大船舶破口處海水的速度，即可使其側(cè)壓力及破口進(jìn)水速度減小，從而降低堵漏難度，延長堵漏時(shí)間。

由文獻(xiàn)[2]中對艦船渦旋流堵漏效果的影響因素的分析可知，p=p0-ρω2R4/(2r2)。當(dāng)槳葉半徑R一定時(shí)，破口處的流場壓強(qiáng)與破口至槳葉中心的距離r(即L)有關(guān)。r越小，p越小，即渦旋流堵漏的效果越好。此外，從CFD數(shù)值模擬的渦旋流速度矢量圖、壓強(qiáng)分布圖及局部放大圖(見圖11)中可看出，破口到槳葉的距離越小，流體旋轉(zhuǎn)速度越大，產(chǎn)生的向心力也就越大。

同時(shí)，破口到槳葉的距離越小，流場總壓強(qiáng)越小，到槳葉中心的壓強(qiáng)差越大，渦旋流堵漏的效果也就越明顯。

5 結(jié)束語

針對物理試驗(yàn)中得出的槳葉位置與渦旋流形成效果之間關(guān)系的影響規(guī)律，利用CFD技術(shù)，在Fluent軟件中按照物理試驗(yàn)裝置的尺寸完成了渦旋流仿

圖11 軸向中心位置剖面的渦旋流場速度矢量局部放大圖

真，得到了槳葉軸向中心剖面的渦旋流場速度矢量和壓強(qiáng)分布；結(jié)合伯努利方程，從理論層面對渦旋流形成位置與艦船堵漏效果的影響規(guī)律進(jìn)行了機(jī)理分析，揭示了槳葉位置與渦旋流形成效果之間關(guān)系的影響規(guī)律的成因。研究成果可為船舶渦旋流堵漏方法的理論研究和裝備研發(fā)提供必要的理論基礎(chǔ)及數(shù)值依據(jù)。

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MechanismofLeakStoppageBetweenBladePositionandEffectwithSpecialVorticalFlows

HANYundong，GAOZhansheng,YANGChangqing,XIETianhua,DUPengshan

(Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018， China)

The leak stoppage method with special vortical flows is a new technological idea to fill the gaps of traditional leak stoppage methods for warships. The model of the rigid blade and the calculation domain based on physical tests with Gambit are constructed and the numerical simulation of the rigid blade produced vortex flow is conducted by Fluent. Based on the calculated vortex flow velocity vector and the pressure distribution, the relationship between the inflow at the break and the blade position are theoretically studied.

ship; naval engineering； damage control； CFD； leak stoppage； vortical flow； blade

2017-06-25

國防科研項(xiàng)目；2015年軍內(nèi)科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(2015-JDKYXM-DLJTXY-023)

韓云東(1977—)，男，山東昌邑人，副教授，博士，主要研究方向?yàn)榇鞍踩Ｕ吓c防護(hù)、裝備保障等。E-mail:gyro-han@163.com

1000-4653(2017)04-0024-04

U661.2+3

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