前置預旋導輪各部分對其性能的影響研究

郭峰山，茍英迪，李鵬程，趙強

(1. 中國船舶科學研究中心 上海分部，上海 200011；2. 中船重工（上海）節(jié)能技術發(fā)展有限公司，上海 200011；3. 洲際船舶管理公司，山東 青島 266101)

0 引 言

當前，全球經濟面臨轉型，船舶的經濟性能較以往顯得更加突出，由于船舶能耗對航運企業(yè)的盈利影響顯著，故而船舶能耗成為船東非常關心的指標之一。另一方面，由于運力極大，船舶航行會產生大量溫室氣體和污染物，采用船舶運輸必須要更多地考慮對環(huán)境的影響。近年來，國際社會環(huán)保呼聲越來越高，加強對船舶運營廢棄物排放和船舶解體廢棄物的控制受到了越來越多的關注。2011年7月MEPC第62次會議上，國際海事組織IMO對船舶的二氧化碳排放提出了控制要求，船舶能效設計指數EEDI到2019年要比基線下降10%，到2024年要下降20%，2025年及以后要下降30%[1]。在船舶上應用節(jié)能技術是有效降低船舶主機燃油消耗進而減少有害物質排放的重要手段。水動力節(jié)能裝置（Energy Saving Device，ESD）作為安裝在船上的一種附體，具有幾何結構簡單、安裝方便、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點，受到廣大船東的青睞[2]。早期，一般通過模型試驗來驗證評估水動力節(jié)能裝置的節(jié)能效果，開發(fā)周期長，且成本較高。而近年來，CFD方法已逐漸成為船舶水動力性能分析的重要工具[3]。

前置預旋導輪（PSV）是一種由導管和定子組合而成的水動力節(jié)能裝置，裝于螺旋槳前方的船體上，圖1為前置預旋導輪實船應用照片。前置預旋導輪以較小的阻力為代價，產生預旋進流以降低螺旋槳尾流的旋轉能量損失，從而提高了螺旋槳的推進效率[4]。前置預旋導輪的實船應用越來越多[5]，其良好的節(jié)能效果已得到了眾多模型試驗和實船測試的驗證，然而對該組合式節(jié)能裝置各部分的分析卻報道較少。本文旨在通過CFD方法，結合模型試驗結果，分析前置預旋導輪（后文簡稱導輪）各部分對其節(jié)能效果的影響。

圖 1 安裝在船尾的前置預旋導輪照片Fig. 1Photograph of PSV on a vessel

1 節(jié)能裝置設計

本文選取了一條7萬噸級油船，該船型主要參數見表1。根據該船尾部的型線和螺旋槳參數，利用CFD方法優(yōu)化設計了槳前水動力節(jié)能裝置——導輪。模型縮尺比31.185，計算船模速度為1.2574 m/s（對應實船14.5 kn），槳模直徑為216 mm。導輪可以看成由導管和定子2個部分構成，為了便于分析本文將其拆分為2種節(jié)能裝置，分別為導管和定子，如圖2所示。其中導管和定子的參數都與導輪的對應部件相同，從阻力及自航性能方面對原型和這2種節(jié)能裝置加以分析。

表 1 船體主要參數Tab. 1Main parameters of the ship

圖 2 節(jié)能裝置三維模型Fig. 23D model of ESD for analysis

2 數值方法

2.1 控制方程

本文的數值計算采用商用流體力學軟件進行[6]，控制方程為慣性坐標系下的不可壓縮Navier-Stokes方程：

2.2 計算域網格及求解方法

考慮到節(jié)能裝置附體對船體興波阻力的影響甚微[8]，本文采用疊模進行計算，不帶自由面。計算域為半個圓柱，船首向前延伸1倍船長為流場入口，船尾向后延伸1.5倍船長為流場出口。為了實現高效的優(yōu)化設計和計算，所有算例均采用結構網格和非結構網格相結合的混合網格劃分形式（見圖3），第2層網格y+值約為23。為了盡可能減少網格變化帶來的影響，所有算例中，除船尾區(qū)域的網格改變外，其他部分的網格形式保持不變[9]。

圖 3 計算網格劃分Fig. 3Mesh of CFD domain used in calculation

采用有限體積法對三維不可壓縮RANS方程進行離散，其中對流項以2階迎風格式離散，擴散項采用中心差分格式離散。由于不可壓縮流體在數值計算過程中速度和壓力無法同時求解，計算中采用基于交錯網格的半隱式SIMPLEC方法進行耦合求解，適當調整松弛因子，以實現較好的數值穩(wěn)定性。文獻[10]表明該方法能有效預報節(jié)能裝置的節(jié)能效果。

3 計算結果分析

對該船原型以及帶不同節(jié)能裝置進行阻力及自航數值計算，從阻力、節(jié)能效果、船尾表面壓力分布、螺旋槳進流4個方面對計算結果進行討論。

3.1 節(jié)能裝置附體對船模阻力的影響

在完成阻力計算后，對受力情況按照船體部分和附體部分進行分解，如表2所示。相對于原型，加裝節(jié)能裝置附體后，船體本身的阻力均有所下降。從總阻力來看，帶導輪和帶定子的總阻力增加均0.1%左右，而帶導管總阻力則下降0.4%。

表 2 阻力計算結果Tab. 2Result of resistant calculation

3.2 節(jié)能裝置附體的節(jié)能效果評估

保持航速不變，通過計算螺旋槳不同轉速下的船體、槳、舵及節(jié)能裝置附體受力，并將其插值到理論強制力的平衡點，可分析各部分的水動力性能[10]。表3列出了各算例模型自航點的各部分受力情況。以收到功率PDm的變化來評估不同節(jié)能裝置相比原型的節(jié)能效果，通過比較可以看到，在相同航速下，導輪和定子的節(jié)能效果均達到了3%以上，而導管方案的節(jié)能效果僅為0.24%。

從表3可知，在螺旋槳抽吸作用下，加裝水動力節(jié)能裝置后，船體阻力均有不同程度的增加，同時節(jié)能裝置附體也產生的是阻力。從總阻力來看，3個方案的增加量分別為1.52%，0.52%，1.24%，導輪和定子引起的總阻力增加要略高于導管。

帶3種節(jié)能裝置后，船后螺旋槳的效率ηs增加量依次為5.62%，1.03%，5.28%。由此可看出，導輪具有較好的節(jié)能效果主要是由于其具有的葉片產生預旋作用，使得ηs提升明顯。

表 3 船模自航計算結果Tab. 3 Result of self-propulsion calculation

3.3 節(jié)能裝置附體對船尾壓力分布的影響

圖4為各方案船尾左舷和船尾右舷的壓力分布圖。從4組圖的比較來看，相對于原型，加裝節(jié)能裝置后，船尾處的壓力均下降，這表明導管和葉片的存在均會使船尾表面的壓力降低，從而引起總阻力增加，與3.2節(jié)中的結論一致。帶導輪后船尾表面壓力降低最顯著，這是導管和定子共同作用在船體上的結果。加裝導管后船體表面壓力降低的主要原因是在螺旋槳的抽吸及導管與船體間的擠壓使水流加速，導管與船體間的壓力就會降低。加裝定子后，船體上亦會出現較大范圍的壓力降低區(qū)域，這主要是葉片的葉背會使得流體加速，在葉片的葉背形成低壓區(qū)。

圖 4 船尾表面壓力系數分布Fig. 4Pressure distribution on hull

3.4 節(jié)能裝置附體對槳前流場的影響

圖5為各算例槳前切向進流速度的周向平均值沿徑向的分布。從圖中看，加裝導輪及定子后，螺旋槳前方的切向進流速度下降明顯，而只加裝導管時變化不明顯。這說明導輪具有的葉片會引起與螺旋槳旋轉方向相反的流動，而導管影響較弱。這與3.2節(jié)中的結論一致。

圖 5 槳前切向速度沿徑向的分布Fig. 5Tangential velocity distribution before the propeller

4 試驗驗證

在完成導輪方案的設計后，該船在中國船舶科學研究中心的深水拖曳水池完成了模型試驗，對比了帶與不帶節(jié)能裝置附體是的船模阻力和自航性能，圖6為模型試驗照片，船?？s尺比與數值計算相同[11]。

圖 6 船模試驗照片Fig. 6Photographs of model test in towing tanker

表4為阻力試驗結果，可知，帶導輪后阻力較原型增加0.4%，阻力相對增加量與計算結果基本吻合，但船模原型和帶導輪后的阻力計算值均較試驗值小3%左右，原因在于：1）由于試驗中采用激流絲激發(fā)湍流提前轉捩，而計算中未采用轉捩，計算中選用的SST k-w二方程模型可能無法再現船模的真實湍流情況；2）計算中僅采用重疊模，未考慮自由面引起的興波阻力。

表 4 阻力計算與試驗對比Tab. 4Comparison of resistance between calculation and model test

船模自航試驗采用強迫自航法，分別得到了自航點處帶與不帶節(jié)能裝置時螺旋槳的推力和轉矩，并用ITTC標準方法進行實船航速預報。最終結果表明，設計吃水CSR下（考慮15%的Sea Margin），該船帶節(jié)能裝置航速達到14.55 kn，相較于不帶節(jié)能裝置的原型，航速提高了0.17 kn。圖7所示為帶與不帶節(jié)能裝置時的實船預報結果對比，設計航速附近，該導輪方案具有3%～4%的節(jié)能效果，與CFD評估結果基本一致，表明該方法可用于此類船后節(jié)能裝置附體的節(jié)能效果評估。

圖 7 帶與不帶節(jié)能裝置時的實船PD-Vs預報結果Fig. 7Power prediction with and without ESD

5 結 語

本文以一型7萬噸級油船為目標，討論導輪各組成部分對其性能的影響?；贑FD方法對該船原型以及加裝不同類型節(jié)能裝置的船模進行阻力及自航評估，并從阻力、節(jié)能效果、船尾表面壓力分布、螺旋槳進流場4個方面進行比較和分析，最后進行了模型試驗驗證，得出以下結論：

1）在螺旋槳的抽吸作用下，帶節(jié)能裝置后船體總阻力增加，并且導輪和定子引起的阻力增加要略高于導管；

2）由于葉片對螺旋槳進流的預旋作用，導輪和定子的節(jié)能效果相當，均比單獨導管高約3%，這表明導輪具有較好的節(jié)能效果主要是由于其具有的葉片產生了預旋作用，使得船后螺旋槳效率提升明顯，導管在其中不扮演關鍵角色；

3）導輪的節(jié)能效果和阻力變化數值評估結果與模型試驗基本吻合，這說明該方法可以較好地預報此類節(jié)能裝置的節(jié)能效果。