三體風(fēng)電運維船船槳耦合作用尾流場數(shù)值仿真研究

謝云平，王 勇，趙子健，吳海紅，陳海健

(江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引 言

我國幅員遼闊，擁有漫長的海岸線，風(fēng)能資源可開發(fā)量十分可觀，蘊含著巨大的潛力，5～55 m水深、70 m高度海上風(fēng)電開發(fā)潛力約5×10kW，其中5～25 m水深風(fēng)電開發(fā)潛力約1.9 ×10kW。近年來我國大力發(fā)展海上風(fēng)電并取得了不俗的成績，發(fā)展水平雖然距世界前二英德兩國有一定距離，但是差距在逐年縮小。隨著海上風(fēng)電的不斷發(fā)展，為了更好地滿足風(fēng)機運行維護的需要，對于風(fēng)電運維船也提出了更高的要求，尤其是在安全性、快速性、舒適性等方面。針對這種情況，本文對幾種側(cè)體幾何形狀三體風(fēng)電運維船方案，采用船槳耦合作用自航方法，進行尾部流場（伴流分?jǐn)?shù)）數(shù)值仿真相關(guān)研究，以獲得快速性能更好的側(cè)體橫剖線方案。

1 船、槳要素與模型

1.1 三體船主要要素與模型

三體風(fēng)電運維船由1個主體和2個側(cè)體構(gòu)成，其主要參數(shù)見表1?；灸Ｐ腿鐖D1所示，三體船船模和實船比例為1∶10。

為了研究側(cè)體橫剖線形狀對三體船尾部流場的影響，在基本模型的基礎(chǔ)上，保持側(cè)體要素、排水體積及浮心縱向位置不變的，參照文獻[1]，建立3個側(cè)體形狀不同的模型，分別為上U下V型、V型、緩和V型，將基本模型確定為方案1，其余模型分別命名為方案2、方案3、方案4。

1.2 螺旋槳要素與模型

三體風(fēng)電運維船為雙機雙槳船。根據(jù)三體船的阻力性能（基本船模）和主機相關(guān)參數(shù)，利用MAU型槳圖譜以及槳軸浸深資料，得到螺旋槳參數(shù)（見表2），為螺旋槳伸張面積，/為最佳盤面比，為螺旋槳螺距，為螺旋槳直徑，/為螺距直徑比。

表1 三體風(fēng)電運維船船型參數(shù)Tab. 1 Wind power maintenance trimaran data

圖1 基本模型一般視圖Fig. 1 General view of the trimaran model

圖2 各方案視圖Fig. 2 Views of each scheme

表2 螺旋槳要素Tab. 2 Propeller elements

由確定的螺旋槳參數(shù)，根據(jù)螺旋槳葉切面型值，通過SolidWorks建立槳葉模型（見圖3），并結(jié)合槳轂幾何尺寸，形成螺旋槳模型（見圖4）。

2 螺旋槳敞水性能數(shù)值仿真與分析

2.1 設(shè)定流體域

圖3 槳葉模型Fig. 3 Model of propeller blades

圖4 螺旋槳模型Fig. 4 Model of propeller

螺旋槳敞水性能的計算有多種方法，本文選用CFD方法，利用STAR-CCM+軟件對其進行計算。在進入STAR-CCM+軟件后，將建立好的螺旋槳模型導(dǎo)入其中，導(dǎo)入完成后利用軟件對模型進行檢查，確保在檢查過程中螺旋槳表面無雜亂線條，同時還要觀察槳葉與槳轂連接處，保證該處沒有黑色細線，螺旋槳模型滿足較為光滑條件(見圖5)。

圖5 STAR-CCM+中的螺旋槳幾何模型Fig. 5 Propeller geometric model in STAR-CCM +

螺旋槳性能受多種因素的影響，為了最大程度降低流場邊界對其影響，將流域設(shè)置為一圓柱體區(qū)域，該圓柱體區(qū)域直徑為9（螺旋槳直徑），長度為14，在設(shè)置流域時應(yīng)確保螺旋槳在圓柱體截面圓心，距離圓柱體上下底面均為7，將該圓柱體流域命名為圓柱1。完成圓柱1流域設(shè)置后新建圓柱2流體域，圓柱2流體域需將螺旋槳包括在內(nèi)，要注意圓柱2橫截面圓心應(yīng)與圓柱1橫截面圓心相同。設(shè)置好的流體域如圖6所示。

2.2 劃分網(wǎng)格

圖6 流體域Fig. 6 Fluid domain

在對螺旋槳進行網(wǎng)格劃分時，需要特別注意靜流域和旋轉(zhuǎn)域。在進行計算時，旋轉(zhuǎn)域十分重要，所以對該區(qū)域要進行網(wǎng)格加密，而靜流域的網(wǎng)格密度可以相對稀疏，因為其重要性較低，這樣設(shè)置的目的是保證計算精度，同時降低計算所需要的時間。在對靜流域網(wǎng)格進行設(shè)置時，將基本尺寸設(shè)置為0.1 m，棱柱層數(shù)設(shè)為3層。完成上述操作后，還要對靜流域圓柱進行額外操作，對其添加自定義控制，取目標(biāo)表面尺寸和最小表面尺寸的基數(shù)百分比為500。在旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格進行設(shè)置時，可以參照靜流域網(wǎng)格的基本尺寸，取為0.1 m，棱柱層也設(shè)置為3層，平均值為40。需添加2個對旋轉(zhuǎn)域圓柱的自定義控制，控制旋轉(zhuǎn)域圓柱需要注意目標(biāo)表面尺寸和最小表面尺寸之間的基數(shù)百分比，將其設(shè)置為200，除此之外對于計算區(qū)域也要適當(dāng)對其進行加密；同樣對于控制螺旋槳模型，螺旋槳槳葉也要進行網(wǎng)格加密，需要注意的是槳葉的旋轉(zhuǎn)曲面，因為其結(jié)構(gòu)特性導(dǎo)致在對其進行網(wǎng)格劃分時更為復(fù)雜，該區(qū)域是重點區(qū)域，在對螺旋槳進行網(wǎng)格劃分時需要格外關(guān)注。在對槳葉節(jié)點進行設(shè)置時也需要注意，將邊界增長率設(shè)置為快，表面曲率設(shè)置為72，表面尺寸2個節(jié)點取基數(shù)百分比為5。最后還要對葉片邊緣進行加密，取表面尺寸基數(shù)百分比為2。在完成網(wǎng)格劃分后，對網(wǎng)格進行初始化即可生成網(wǎng)格，如圖7所示。

2.3 邊界條件

在完成網(wǎng)格劃分生成體網(wǎng)格后，在接下來的一系列設(shè)置中分別對應(yīng)選擇三維、隱式不定長、液體、分離流、恒密度、湍流、-Epsilon湍流，設(shè)置好后關(guān)閉連續(xù)體。還要分別設(shè)置速度出口與速度入口，速度出口選取正對槳葉方向的圓面，相應(yīng)的將正對葉背方向設(shè)為速度入口，對稱平面則選擇圓柱面。完成上述操作后新建運動-旋轉(zhuǎn)，確定坐標(biāo)系的原點，軸方向的確定則需要依靠右手定則，此外還要設(shè)置旋轉(zhuǎn)速率。在完成相關(guān)設(shè)置之后，想要使得螺旋槳轉(zhuǎn)動，還要完成一項關(guān)鍵步驟，即在旋轉(zhuǎn)區(qū)域中將物理值-運動規(guī)范選擇為旋轉(zhuǎn)。

圖7 螺旋槳與流體域網(wǎng)格Fig. 7 Propeller and fluid domain grids

2.4 敞水性能數(shù)值仿真結(jié)果與分析

首先完成預(yù)先設(shè)置場函數(shù)，而后新建各報告表達式，最后選中上述報告，完成上述操作后創(chuàng)建監(jiān)視器和繪圖。選擇合適的迭代頻率十分重要，迭代頻率設(shè)置為500，初始化求解后運行該模擬，即可得到圖8和圖9的數(shù)值模擬結(jié)果。

圖8 進速系數(shù)繪圖Fig. 8 Drawing of advance coefficient

圖9 敞水系數(shù)總圖Fig. 9 General chart of open water coefficient

可知，對于螺旋槳敞水性能數(shù)值仿真采用的CFD方法可行、有效。該方法較好地模擬螺旋槳敞水試驗，得到了螺旋槳的敞水性能，為尾流場的數(shù)值仿真做了良好的鋪墊。

3 尾流場數(shù)值仿真及分析

3.1 伴流及其獲得方法

在船舶行進的過程中，螺旋槳與船體相互影響。螺旋槳工作時因轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的速度場與船舶航行產(chǎn)生的速度場會相互干擾，從而造成螺旋槳進速不等于船速。二者之間關(guān)系可表示為：

圖10 敞水仿真數(shù)值對比圖Fig. 10 Open water simulation data comparison chart

式中：V為螺旋槳進速，ω為伴流分?jǐn)?shù)，為船速。

船后伴流的速度場十分復(fù)雜，主要表現(xiàn)為其在螺旋槳盤面處各點的速度大小和速度方向都不相同，一般將伴流速度場分為相對于螺旋槳的軸向速度、周向速度和徑向速。由于軸向伴流速度數(shù)值上要比周向伴流速度和徑向伴流速度大得多，所以一般提到的伴流實際上是指軸向伴流。

伴流的數(shù)值多采取試驗法獲得，根據(jù)不同的測量方法可以將其分為標(biāo)稱伴流和實效伴流。由船模自航試驗測得的伴流分?jǐn)?shù)最為可靠，但考慮到時間及成本因素，在進行螺旋槳設(shè)計時往往利用經(jīng)驗公式來估算，而估算的誤差勢必對船、機、槳的匹配帶來一些影響。為此，利用船模、槳模來進行船后尾流場（伴流）的數(shù)值模擬顯得較為高效、經(jīng)濟。

3.2 三體風(fēng)電運維船尾流場數(shù)值仿真及分析

3.2.1 建立船體-螺旋槳模型

利用SolidWorks軟件將螺旋槳安裝至方案一模型船艉，安裝完成后進行接縫檢查，確保模型光順后導(dǎo)出該模型iges文件，將iges文件導(dǎo)入到軟件STAR-CCM+中，如圖11和圖12所示。

圖11 方案1船體-螺旋槳模型Fig. 11 Scheme 1 ship - propeller model

圖12 方案1船體-螺旋槳模型后視圖Fig. 12 Scheme 1 hull - propeller model back view

3.2.2 控制域和網(wǎng)格劃分

在將船體-螺旋槳模型導(dǎo)入軟件后，接下來要進行控制域的確定以完成后續(xù)計算。在空間位置上，螺旋槳進行敞水系數(shù)計算劃分的圓柱形控制域被三體船模型阻力仿真的矩形控制域包裹，故對尾流場進行數(shù)值仿真的控制域與矩形控制域相同，對自由液面和船體的加密區(qū)域也參照進行阻力仿真時的設(shè)置，由于船體-螺旋槳模型新增了螺旋槳部分，需要對新增加的螺旋槳部分進行加密。最終網(wǎng)格劃分如圖13和圖14所示，總網(wǎng)格數(shù)為130萬左右。

3.2.3 相關(guān)設(shè)置及計算結(jié)果

計算時將整個流域分為船體和螺旋槳2個部分，利用CFD軟件結(jié)合隨體網(wǎng)格技術(shù)還有自航宏文件可以實現(xiàn)船舶自航的數(shù)值模擬。首先要確定目標(biāo)速度V，目標(biāo)速度確定后可以計算得到該速度下的船體摩擦阻力修正值，對船體-螺旋槳模型施加強制力，在目標(biāo)速度下進行自航模擬。在模擬過程中，船體-螺旋槳模型受到螺旋槳產(chǎn)生的推力、施加的強制力以及船體阻力，根據(jù)受力情況調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速，達到螺旋槳推力=R-的平衡狀態(tài)，仿真得到方案一的自由液面興波圖（見圖15），其波形符合凱爾文波系形狀。

圖13 方案1自航網(wǎng)格劃分Fig. 13 Scheme 1 self-propelled grid division

圖14 方案1船體-螺旋槳模型側(cè)視圖網(wǎng)格Fig. 14 Scheme 1 side view grid of hull - propeller model

圖15 自由液面興波圖Fig. 15 Free surface wave chart

在上述各方案中，同一方案中的2個螺旋槳完全相同，本文僅取左槳伴流場，圖16為其在/=0.5，/=0.6和/=0.7處的軸向速度場。

圖16 方案1軸向速度場Fig. 16 Scheme 1 axial velocity field

根據(jù)仿真結(jié)果可得方案1在船體-螺旋槳模型速度為3.09 m/s時螺旋槳轉(zhuǎn)速為42.7 r/s。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果所得的船模阻力，螺旋槳轉(zhuǎn)速，螺旋槳推力等，通過與螺旋槳敞水試驗仿真結(jié)果比較分析，可以得到方案1伴流分?jǐn)?shù)0.064，利用伴流分?jǐn)?shù)的近似公式計算值為0.06，仿真分析值與計算值誤差為6.67%，結(jié)果較為可靠，其余各方案伴流分?jǐn)?shù)采取和方案1相同方法求得，具體數(shù)值見表3。

表3 各方案伴流分?jǐn)?shù)值Tab. 3 The wake fraction values of each scheme

4 結(jié) 語

通過對4個側(cè)體幾何形狀不同的三體風(fēng)電運維船與螺旋槳組合模型方案進行自航試驗?zāi)M，并與螺旋槳敞水試驗結(jié)果比較分析，可以得到以下結(jié)論：

1）螺旋槳敞水性能仿真結(jié)果較為可靠，仿真方法可行、有效。

2）通過自航模擬與螺旋槳敞水試驗?zāi)M結(jié)果分析確定伴流分?jǐn)?shù)可行。

3）方案4螺旋槳轉(zhuǎn)速最小，船體-螺旋槳模型阻力最小，同時各方案伴流分?jǐn)?shù)相差不大，經(jīng)綜合考慮方案4為最佳方案。