鄭小龍 黃 勝
(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院 哈爾濱150001)
如今,能源對(duì)人類(lèi)生活的影響已達(dá)到舉足輕重的地位,從某種程度而言,能源已成為限制船舶行業(yè)發(fā)展的一大因素。目前,國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有很多學(xué)者對(duì)船舶螺旋槳水動(dòng)力性能及推進(jìn)節(jié)能裝置開(kāi)展了大量研究[1-7]。馬騁等人[3]建立了螺旋槳-舵-舵球推進(jìn)組合的數(shù)學(xué)仿真模型,對(duì)組合推進(jìn)裝置的水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究,結(jié)果證明能獲得比原船型節(jié)能5.1%的效果;黃勝等人[4]進(jìn)行扭曲舵的研究工作,開(kāi)展扭曲舵的水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)及模型試驗(yàn)研究,并驗(yàn)證扭曲舵的工作原理;蘇玉民等人[5]以升力系數(shù)為設(shè)計(jì)目標(biāo),運(yùn)用面元法理論迭代設(shè)計(jì)具有任意指定壓力分布形式的三維機(jī)翼,并通過(guò)平頂壓力分布形式設(shè)計(jì)出空泡性能優(yōu)良的槳葉。超級(jí)導(dǎo)流管(SSD)作為一種新型的水動(dòng)力節(jié)能附加裝置,其研究和開(kāi)發(fā)對(duì)目前乃至今后我國(guó)的水運(yùn)事業(yè)和海軍裝備具有深遠(yuǎn)意義。
本文確定了超級(jí)導(dǎo)流管(SSD)水動(dòng)力性能分析的CFD仿真方法,并應(yīng)用流體力學(xué)分析軟件FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬。首先,在ICEM-CFD軟件中建立了船體、螺旋槳和超級(jí)導(dǎo)流管(SSD)的幾何模型,并進(jìn)行網(wǎng)格的劃分,在FLUENT軟件中進(jìn)行了計(jì)算及結(jié)果后處理,然后將安裝超級(jí)導(dǎo)流管(SSD)前后的船模阻力和螺旋槳推力的計(jì)算值和試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,對(duì)比結(jié)果表明本文建立的研究槳前超級(jí)導(dǎo)流管(SSD)節(jié)能效果的CFD數(shù)值仿真方法是正確無(wú)誤的。
螺旋槳在流體中以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn),可視作螺旋槳模型在軸向靜止。假定其周向水域旋轉(zhuǎn),而螺旋槳與之保持相對(duì)靜止,采用不可壓縮流體RANS方程組作為求解船舶粘性流場(chǎng)特性的控制方程,質(zhì)量方程為:
動(dòng)量方程為:
式中:t為時(shí)間;ρ為流體密度;μ為流體的動(dòng)力粘性系數(shù);ui和uj為速度分量時(shí)均值;p為靜壓;xi和xj分別為i和j方向上的位置坐標(biāo);gi為單位質(zhì)量的重力為雷諾應(yīng)力,雷諾應(yīng)力項(xiàng)屬于未知量。本文選取k-ωSST湍流模型[6],為使方程組封閉,需對(duì)應(yīng)力項(xiàng)作某種假設(shè),引進(jìn)新的湍流模型,以此把應(yīng)力項(xiàng)中的脈動(dòng)值與時(shí)均值聯(lián)系起來(lái)。
計(jì)算選用載重量為75 000 t的散貨船為母型船,縮尺比λ= 40,船模的主要參數(shù)如表1所示。螺旋槳采用自行設(shè)計(jì)的4葉不等螺距PBC1螺旋槳,直徑D=179.25 mm。
表1 船模的主要基本參數(shù)
船體模型部分是將CAD中的型線圖導(dǎo)入ICEM,然后在ICEM中建立面,最后完成模型的建立。螺旋槳、舵板和超級(jí)導(dǎo)流管(SSD)模型則是通過(guò)Fortran程序?qū)霐?shù)據(jù)點(diǎn),直接在ICEM中進(jìn)行建模。圖1所示為超級(jí)導(dǎo)流管三維幾何模型,圖2所示為超級(jí)導(dǎo)流管的側(cè)視圖。導(dǎo)管距離槳盤(pán)中心40 mm,根據(jù)改變開(kāi)角θ導(dǎo)流管也可分為不同型號(hào)。圖3為全附體船體模型圖。
圖1 超級(jí)導(dǎo)流管三維幾何模型
圖2 超級(jí)導(dǎo)流管側(cè)視圖
圖3 整體幾何模型圖
網(wǎng)格的劃分是CFD模擬過(guò)程中最為重要的環(huán)節(jié),網(wǎng)格質(zhì)量的好壞直接影響模擬精度和效率。網(wǎng)格過(guò)密會(huì)導(dǎo)致計(jì)算量增大且計(jì)算難以收斂,而網(wǎng)格過(guò)疏往往會(huì)導(dǎo)致結(jié)果不精確。假定水深無(wú)限,流域采用長(zhǎng)方體流場(chǎng)表達(dá),為保證來(lái)流均勻,采取流域的來(lái)流入口距離船首為1倍船長(zhǎng)。為保證出口不受尾流的影響,尾流出口距離船尾設(shè)置為2倍船長(zhǎng),水深設(shè)置為1倍船長(zhǎng),水池寬度為2倍船長(zhǎng)。本文的計(jì)算網(wǎng)格采用混合型網(wǎng)格,即船身采用結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格,船尾部分采用非結(jié)構(gòu)四面體網(wǎng)格,兩部分網(wǎng)格通過(guò)Interface連接,網(wǎng)格模型分別如圖4和圖5所示。
圖4 船尾部的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分
圖5 船體流域的整體網(wǎng)格
本文研究對(duì)象是船舶的自由航行狀態(tài)。來(lái)流入口(Inlet)設(shè)定為速度入口, 即船舶航行的速度,尾流出口邊界(Outlet)定義為質(zhì)量出口邊界。數(shù)值水池表面設(shè)為壁面,選用k-ωSST湍流模型,螺旋槳的旋轉(zhuǎn)通過(guò)滑移網(wǎng)格(Frame Motion)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn),螺旋槳的小域繞槳軸以一定的角速度繞槳軸旋轉(zhuǎn)。使用有限體積法離散控制方程和湍流模式,對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)的離散采用2階迎風(fēng)格式,壓力速度耦合方程的求解使用 SIMPLE 算法,離散的代數(shù)方程用Gauss-Seidel 迭代法求解,收斂判據(jù)設(shè)定為1e-07。
對(duì)無(wú)導(dǎo)管的光體船進(jìn)行數(shù)值仿真,取8個(gè)不同航速狀態(tài)進(jìn)行CFD計(jì)算,提取出無(wú)導(dǎo)管時(shí)光體船的阻力及螺旋槳水動(dòng)力系數(shù),并將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表2-表4及下頁(yè)圖6所示。
表2 無(wú)導(dǎo)管自航螺旋槳推力值(N)
表3 無(wú)導(dǎo)管自航螺旋槳轉(zhuǎn)矩值(N·m)
表4 無(wú)導(dǎo)管自航船體阻力值(N)
圖6 無(wú)導(dǎo)管時(shí)船尾流場(chǎng)的速度云圖
通過(guò)CFD計(jì)算得到的螺旋槳推力、轉(zhuǎn)矩以及船體阻力,與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可見(jiàn),二者十分吻合,具有良好的趨勢(shì)一致性,說(shuō)明本文采用的計(jì)算方法能夠準(zhǔn)確預(yù)報(bào)船體的阻力及螺旋槳的水動(dòng)力性能。
對(duì)裝有開(kāi)角θ=15°的超級(jí)導(dǎo)流管的船體進(jìn)行數(shù)值仿真,取8個(gè)不同航速狀態(tài)進(jìn)行CFD計(jì)算,提取出在加裝導(dǎo)流管后船體阻力及螺旋槳水動(dòng)力系數(shù),并與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果如表5-表7和下頁(yè)圖7所示。
表5 加裝導(dǎo)流管時(shí)螺旋槳推力值(N)
表6 加裝導(dǎo)流管時(shí)螺旋槳轉(zhuǎn)矩值(N·m)
表7 加裝導(dǎo)流管時(shí)船體阻力值(N)
由圖表中列出的仿真計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出,通過(guò)CFD軟件計(jì)算螺旋槳推力、轉(zhuǎn)矩以及船體阻力與試驗(yàn)值吻合度很高,具有良好的趨勢(shì)一致性。通過(guò)將加裝導(dǎo)管后的計(jì)算值與裸船體對(duì)比發(fā)現(xiàn),螺旋槳的推力有所增大,轉(zhuǎn)矩值有所減小。根據(jù)推進(jìn)效率公式計(jì)算可知,螺旋槳的推進(jìn)效率明顯增大,船體的阻力沒(méi)有發(fā)生明顯變化,說(shuō)明導(dǎo)流管對(duì)船體阻力性能的影響可以忽略不計(jì)。
圖7 加裝導(dǎo)流管時(shí)船尾流場(chǎng)的速度云圖
將加裝超級(jí)導(dǎo)流管的船尾速度分布云圖與裸船體對(duì)比發(fā)現(xiàn),當(dāng)流體流經(jīng)導(dǎo)管之后會(huì)有一個(gè)加速,即在相等的航速時(shí)螺旋槳的進(jìn)流速度變大,對(duì)螺旋槳推進(jìn)效率的提高產(chǎn)生積極影響。此現(xiàn)象與上述表格中的計(jì)算值較為符合。在船尾處的流線受到超級(jí)導(dǎo)流管的作用,更貼近船體表面,避免船尾流場(chǎng)的分離而產(chǎn)生“穩(wěn)流效應(yīng)”,從而可以減小船舶的形狀阻力。由圖7還可以看出,導(dǎo)流管翼剖面內(nèi)外速度分布有一定的改變,翼背上的流速很低,而翼面的流速高,因此翼背與翼面上會(huì)形成一個(gè)壓力差,使超級(jí)導(dǎo)流管提供一個(gè)向前的推力,達(dá)到了節(jié)能效果。
表8所示為航速16.5 kn時(shí),導(dǎo)管開(kāi)角分別為9°、10°、11°、12°、13°、14°時(shí)的螺旋槳水動(dòng)力性能,由上表中列出的仿真計(jì)算與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出,通過(guò)CFD軟件計(jì)算而得的螺旋槳水動(dòng)力系數(shù)與試驗(yàn)值吻合度依然較高。隨著開(kāi)角的逐漸增大,螺旋槳的推力變化呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì),側(cè)視圖開(kāi)角為10°時(shí)達(dá)到最小,開(kāi)角為14°時(shí)達(dá)到最大;螺旋槳的轉(zhuǎn)矩隨著開(kāi)角增大呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì),且螺旋槳的轉(zhuǎn)矩在開(kāi)角為12°時(shí)達(dá)到最小,開(kāi)角為9°時(shí)達(dá)到最大。
表8 加裝不同開(kāi)角的導(dǎo)流管時(shí)螺旋槳水動(dòng)力性能
總體而言,對(duì)于不同類(lèi)型的超級(jí)導(dǎo)流管,采取本文所使用的計(jì)算方法均能獲得較好結(jié)果,這也說(shuō)明本文所采用的計(jì)算方法十分可靠。
采用混合網(wǎng)格技術(shù)對(duì)槳前超級(jí)導(dǎo)流管的節(jié)能效果進(jìn)行CFD驗(yàn)證,將加裝導(dǎo)流管前后的螺旋槳水動(dòng)力系數(shù)及船體阻力進(jìn)行對(duì)比,計(jì)算結(jié)果表明槳前導(dǎo)流管能提高螺旋槳的推進(jìn)效率,且不會(huì)使船體阻力明顯增大。在驗(yàn)證超級(jí)導(dǎo)流管節(jié)能效果的同時(shí),還提供一套預(yù)報(bào)船體粘性流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)后續(xù)研究工作具有重要的參考價(jià)值。
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