袁 帥，姬朋輝，劉成龍，姜 輝

(濰柴動(dòng)力股份有限公司，山東 濰坊 261061)

對(duì)于拖船、拖網(wǎng)漁船等需要提供大拖力的船型，為滿(mǎn)足拖力的需求，螺旋槳設(shè)計(jì)追求大直徑，但受限于尾部框架，此類(lèi)船舶傳動(dòng)軸系通常布置成傾斜形式，這就導(dǎo)致了螺旋槳處在斜流工作條件下。對(duì)于高速艇，因其總布置的要求，主機(jī)軸線往往向下傾斜，加上航行時(shí)艇體發(fā)生縱傾，導(dǎo)致此類(lèi)船舶螺旋槳也處在斜流工作條件下。有研究表明，處于斜流工作中的螺旋槳其推力特性曲線、轉(zhuǎn)矩特性曲線均發(fā)生不同程度的右移，導(dǎo)致斜流中螺旋槳敞水效率下降。若斜流角δ>6°，螺旋槳設(shè)計(jì)與計(jì)算就應(yīng)當(dāng)考慮斜流影響，當(dāng)δ=8°～12°時(shí),若仍按軸流工作中的槳來(lái)計(jì)算螺旋槳特性，其結(jié)果常常是不可靠的甚至是錯(cuò)誤的[1]。另外，斜流工作中的螺旋槳還會(huì)發(fā)生沿著螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)軸法線方向作用的橫向力和在槳葉內(nèi)作用的、其方向與盤(pán)面垂直的附加力矩矢量，其對(duì)船舶的操縱性及軸強(qiáng)度的設(shè)計(jì)都有影響[2]。因此斜流對(duì)螺旋槳性能的影響一直受到螺旋槳設(shè)計(jì)者的極大關(guān)注。鑒于模型試驗(yàn)存在尺度效應(yīng)、試驗(yàn)周期長(zhǎng)、經(jīng)費(fèi)高等眾多的問(wèn)題。本文使用先進(jìn)的商用CFD軟件STAR-CCM+對(duì)某螺旋槳推進(jìn)性能進(jìn)行模擬，并對(duì)不同斜流下結(jié)果進(jìn)行分析總結(jié)，為在斜流工況下的螺旋槳設(shè)計(jì)提供參考。

1 研究對(duì)象及工況

本文研究對(duì)象為國(guó)際拖曳水池會(huì)議(ITTC)公開(kāi)的標(biāo)準(zhǔn)螺旋槳 DTRC P4381，尺寸如表1所示，對(duì)此槳進(jìn)行敞水性能的計(jì)算和分析，三維模型采用CAD軟件CATIA創(chuàng)建。

表1 DTRC P4381 槳的主要參數(shù)

為了貼合螺旋槳實(shí)際工況，本文計(jì)算的斜流角δ為：0°、2°、4°、5°、6°、8°、10°，共7個(gè)工況。計(jì)算中保持螺旋槳轉(zhuǎn)速為600 r/min不變，通過(guò)改變水流速度來(lái)改變進(jìn)速系數(shù)，每個(gè)工況下設(shè)定進(jìn)速系數(shù)J為0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0共8個(gè)進(jìn)速條件，共計(jì)56個(gè)計(jì)算工況點(diǎn)。

2 數(shù)值模擬方案

2.1 計(jì)算域設(shè)置及網(wǎng)格劃分

在進(jìn)行螺旋槳敞水性計(jì)算時(shí)，需要合理地設(shè)置計(jì)算域尺寸及邊界條件。本文計(jì)算采用旋轉(zhuǎn)參考系法(MRF)來(lái)模擬螺旋槳的旋轉(zhuǎn)，整個(gè)計(jì)算域分為1個(gè)靜止域和1個(gè)旋轉(zhuǎn)域。靜止域?yàn)閳A柱體，其直徑為5.0D(D為螺旋槳的直徑)，入口距離原點(diǎn)3.0D，出口距離原點(diǎn)7.0D；旋轉(zhuǎn)域同樣為圓柱體，直徑1.2D，前后端面距離槳盤(pán)面0.5D左右[3]，如圖1所示。計(jì)算域采用切割體網(wǎng)格進(jìn)行離散，由于旋轉(zhuǎn)區(qū)域流場(chǎng)變化劇烈，需要適當(dāng)減小網(wǎng)格尺寸，本次網(wǎng)格尺寸為0.012D，外部流體區(qū)域網(wǎng)格尺寸適當(dāng)增加。槳葉表面網(wǎng)格尺寸為0.012D，并采用特征線加密方式對(duì)槳葉進(jìn)行加密。加密區(qū)為與螺旋槳同軸的圓柱形區(qū)域。網(wǎng)格劃分后，旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格數(shù)量為151萬(wàn)個(gè)，靜止域網(wǎng)格數(shù)量為54萬(wàn)個(gè)。

計(jì)算域入口設(shè)置為速度入口，速度值設(shè)為螺旋槳進(jìn)速速度，出口設(shè)置為壓力出口，螺旋槳表面設(shè)置為壁面，靜止域的圓柱形表面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)面，以減小壁面反射，旋轉(zhuǎn)域的圓柱形壁面與靜止域中的壁面設(shè)置為交界面以滿(mǎn)足能量與質(zhì)量的交換。

圖1 流體計(jì)算域

2.2 數(shù)值計(jì)算方案驗(yàn)證

為了探究本文提出的數(shù)值計(jì)算方案的有效性和計(jì)算精度問(wèn)題，計(jì)算常規(guī)螺旋槳P4381在進(jìn)速系數(shù)J=0.3～1.0時(shí)的水動(dòng)力性能，取數(shù)值計(jì)算結(jié)果中一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)推力系數(shù)(Kt)與轉(zhuǎn)矩系數(shù)(Kq)的平均值為數(shù)值計(jì)算值，η0為敞水?dāng)?shù)率。圖2給出了敞水性能的試驗(yàn)值與計(jì)算值，可以看出CFD計(jì)算值與試驗(yàn)值吻合良好,變化趨勢(shì)保持一致。計(jì)算的平均誤差在5.6%左右，滿(mǎn)足工程計(jì)算精度。因此，本文提出的數(shù)值模擬方案是有效可行的。

圖2 P4381試驗(yàn)值與CFD計(jì)算值比較

3 計(jì)算結(jié)果比較與分析

為了詳細(xì)研究斜流角度對(duì)螺旋槳水動(dòng)力特性的影響，本文對(duì)56個(gè)計(jì)算工況點(diǎn)螺旋槳的敞水性能進(jìn)行了比較分析。

3.1 推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)計(jì)算結(jié)果

通過(guò)以上56個(gè)工況點(diǎn)的CFD計(jì)算及結(jié)果的匯總比較，本文考察不同斜流角度對(duì)螺旋槳推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)以及敞水效率的影響。推力系數(shù)Kt、轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kq隨斜流角的變化見(jiàn)圖3、圖4。斜流角為0°與5°、0°與10°時(shí)螺旋槳敞水性能比較見(jiàn)表2、表3。

通過(guò)CFD結(jié)果可以看到，斜流角的增大對(duì)螺旋槳敞水性能的影響明顯；即使在同一斜流角下，在進(jìn)速系數(shù)J不同的情況下，螺旋槳的水動(dòng)力性能變化也不同。通過(guò)圖3可以看到，斜流角在5°以?xún)?nèi)時(shí)，螺旋槳的推力變化很小，僅在斜流角為5°、進(jìn)速系數(shù)為1.0時(shí)，推力系數(shù)Kt的減幅為5.3%，其余均在2%以?xún)?nèi)，因此對(duì)于斜流角在5°內(nèi)，可以忽略斜流對(duì)螺旋槳性能的影響。在斜流角大于5°時(shí)，斜流對(duì)螺旋槳性能的影響開(kāi)始凸顯，當(dāng)斜流角達(dá)到10°時(shí)，Kt最大降幅高達(dá)25.8%，降幅均值為10%左右，因此在螺旋槳設(shè)計(jì)與航速預(yù)報(bào)中非常有必要去考慮螺旋槳敞水性能的下降。

對(duì)于轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kq，其變化趨勢(shì)與Kt非常相似，斜流角在5°以?xún)?nèi)時(shí)，Kq的改變量并不明顯，幾乎均在4%以?xún)?nèi)，隨著斜流角的增大，Kq的變化幅度逐漸增大，當(dāng)斜流角增加到10°時(shí)，Kq的最大增幅為16%，增幅均值為10%左右。因敞水效率η0是由Kt、Kq決定的，因此斜流角對(duì)η0的影響會(huì)更加明顯。當(dāng)斜流角為5°，敞水效率最大降幅在8.5%，降幅均值為4%左右，當(dāng)斜流角為10°時(shí)，斜流對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響急劇上升，η0最大降幅高達(dá)36%，降幅均值也達(dá)到了16.5%。因此如果仍使用軸流下的螺旋槳水動(dòng)力性能進(jìn)行船機(jī)槳匹配計(jì)算，匹配出的結(jié)果非常不可靠甚至是錯(cuò)誤的，這樣會(huì)導(dǎo)致船舶無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)工況，給用戶(hù)造成經(jīng)濟(jì)損失。

圖3 推力系數(shù)隨斜流角的變化

圖4 轉(zhuǎn)矩系數(shù)隨斜流角的變化

進(jìn)速系數(shù)JKt變化幅度/%10Kq變化幅度/%η0變化幅度/%0.30.451-1.70.8150.20.264-1.90.40.410-1.20.7591.30.344-2.50.50.367-1.10.6982.20.418-3.20.60.322-0.90.6352.80.485-3.20.70.276-0.70.5683.60.542-3.60.80.229-0.40.4974.20.586-4.40.90.179-1.10.4204.20.609-5.31.00.125-5.30.3353.40.591-8.5

表3 斜流角為0°、10°螺旋槳敞水性能比較

3.2 橫向力、橫向力矩計(jì)算結(jié)果

螺旋槳工作在斜流中，除發(fā)生沿著螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)軸線方向的推力，還會(huì)產(chǎn)生沿著螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)軸線法線方向作用的橫向力以及在槳葉內(nèi)作用、其方向與盤(pán)面垂直的附加力矩矢量，從而對(duì)船舶的操縱性及船舶軸系強(qiáng)度產(chǎn)生影響。為此，本文分析了斜流對(duì)螺旋槳橫向力、橫向力矩的影響。

當(dāng)螺旋槳處在軸流工作中時(shí)，螺旋槳左右壓力分布相同，左右受力相互抵消，不會(huì)產(chǎn)生橫向力及力矩，當(dāng)螺旋槳處在斜流工作中時(shí)，螺旋槳左右受力均衡被打破，從而產(chǎn)生橫向力。由圖5、圖6可以看出，螺旋槳產(chǎn)生的橫向力、力矩均隨著斜流角的增大逐漸變大。這里需要注意的是，在同一斜流角下，橫向力系數(shù)KFy、力矩系數(shù)KMy隨著進(jìn)速系數(shù)J的增大逐漸變大，這與Kt、Kq的變化規(guī)律是相反的。基于這2方面的影響，在大斜流角、高進(jìn)速條件下，橫向力及力矩會(huì)增大到和螺旋槳的主要推力及力矩相當(dāng)?shù)拇笮?，例如在斜流?0°、進(jìn)速系數(shù)J=1.0時(shí)，螺旋槳軸向推力及轉(zhuǎn)矩系數(shù)為Kt=0.098、Kq=0.037 6，而橫向力及力矩系數(shù)則為KFy=0.128、KMy=0.052，超出軸向推力及轉(zhuǎn)矩30%以上，此時(shí)軸承受的橫向力會(huì)非常大，因此在計(jì)算船舶快速性、操縱性以及軸設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮此因素。

4 技術(shù)要點(diǎn)

本文采用商用CFD軟件對(duì)不同斜流角下螺旋槳的敞水性能進(jìn)行了模擬計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較和分析后得出結(jié)論如下。

1)本文提出的數(shù)值計(jì)算方案其計(jì)算值與試驗(yàn)值平均誤差在5.6%，最大誤差在10%左右，滿(mǎn)足工程精度的需要，數(shù)值計(jì)算方案是有效的。

圖5 橫向力系數(shù)KFy隨斜流角度的變化

圖6 橫向力矩系數(shù)KMy隨斜流角的變化

2)隨著來(lái)流斜流角的增大，螺旋槳的推力系數(shù)Kt，敞水效率η0發(fā)生不同程度的下降，轉(zhuǎn)矩系數(shù)Kq逐步增大。

3)當(dāng)斜流角在5°以?xún)?nèi)時(shí)，斜流對(duì)螺旋槳敞水性能影響尚不明顯，在螺旋槳設(shè)計(jì)及匹配計(jì)算中可以忽略這種影響，當(dāng)來(lái)流斜流角在5°以上，螺旋槳敞水性能變化比較明顯，在螺旋槳設(shè)計(jì)及船舶航速預(yù)報(bào)中要特別考慮。

4)當(dāng)螺旋槳在斜流條件下工作時(shí)，在大斜流角、高進(jìn)速條件下，螺旋槳會(huì)產(chǎn)生較大的橫向力及力矩，對(duì)軸系強(qiáng)度及船舶操縱性產(chǎn)生不利影響，在船舶軸系設(shè)計(jì)中需要特別考慮。