李冬琴,姜瀚東,張 沖

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院, 鎮(zhèn)江 212100)

如今,船舶的運營消耗了大量能源,排放了大量的溫室氣體,導致了眾多環(huán)境問題．因此，運輸船舶如何節(jié)能減排成為了造船界的熱門話題．隨著船舶設計指數(shù)(EEDI)和船舶運營指數(shù)(EEOI)的執(zhí)行[1],對節(jié)能技術(shù)提出了更高的要求．目前,已經(jīng)有很多的節(jié)能附體被研究出來,如槳后葉輪、整流鰭、槳榖帽鰭等[2-4]．螺旋槳前置導管是一種簡單、實用、節(jié)能效果顯著的附體，它可以對螺旋槳進行預旋,從而提高螺旋槳推進效率,改善船尾及槳盤面處的伴流．

近幾十年來,對于螺旋槳前置導管的研究已經(jīng)取得了諸多成果,德國教授許內(nèi)克羅斯(Schneekluth)在20世紀80年代首次提出前置導管的概念,隨后日本三井公司提出了組合導管推進裝置(MIDP),該裝置可以為船舶提供10%～20%的額外推力;德國貝克爾船舶公司提出了麥維斯導管(Mewis duct)[5-6],這種導管由槳前補償導管和預旋導流鰭片組成,在30艘實船上安裝Mewis duct后發(fā)現(xiàn),其平均節(jié)能效率約為6.4%．但是以往對節(jié)能導管的研究大多基于實船試驗,耗時費力．隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展,更多學者們選擇使用計算流體動力學CFD(computational fluid dynamics)方法對節(jié)能導管的水動力性能進行研究[7-9]．文獻[10]基于CFD方法進行了船-槳-扇形導管耦合的自航仿真,分析了扇形導管的工作原理,發(fā)現(xiàn)扇形導管的節(jié)能效果達到了3.85%;文獻[11]利用CFD方法,對三類典型前置預旋導管的節(jié)能效果進行了評估,提出了新型式節(jié)能導管——光芒型導管,并證明了光芒型導管節(jié)能效果的優(yōu)越性,其節(jié)能效果約為4.07%．

通過對各種型式節(jié)能導管的研究發(fā)現(xiàn),在常規(guī)扇形導管、常規(guī)圓形導管、光芒型導管中,光芒型導管的節(jié)能效果最佳,預旋范圍更大,原因在于光芒型導管擁有長于常規(guī)導管的定子,并且光芒型導管的定子之間的攻角不同于常規(guī)導管．因此,可知定子之間的長度和攻角對導管的節(jié)能效果影響較大．其次,光芒型導管的左側(cè)定子對螺旋槳切向速度的影響優(yōu)于右側(cè)定子．所以根據(jù)導管的工作原理,參照節(jié)能效果更好的光芒型導管,提出了一種新式節(jié)能導管．通過仿真計算,初步得到新式導管的各項參數(shù),然后研究該參數(shù)下新式節(jié)能導管的水動力性能．

文中基于CFD方法,首先對3 600 TEU集裝箱船和KP505螺旋槳[12]的組合系統(tǒng)進行自航仿真,通過仿真計算結(jié)果與試驗值對比,驗證了數(shù)值計算方法的可行性．隨后開展對新式槳前節(jié)能導管的水動力性能研究，重點評估了新式槳前導管的節(jié)能效果,分析了新式槳前節(jié)能導管對尾伴流場的影響．旨在為新型式導管的設計與研究提供方法與建議．

1 理論方法

1.1 基本理論

數(shù)值計算借助商業(yè)流體軟件STAR-CCM+,該軟件使用慣性坐標系下的不可壓N-S方程:

(1)

(2)

式中：ρ為流體密度；u為流體質(zhì)點的速度；p為流體壓力；υ為流體的運動粘性系數(shù)．

湍流模型采用目前流行的k-ε湍流模型．對于自由液面的追蹤使用流體體積VOF(volume of fluid)方法,該方法原理是通過研究網(wǎng)格單元中流體和網(wǎng)格體積比函數(shù)F來確定自由面,追蹤流體的變化,而非追蹤自由液面上質(zhì)點的運動,其方程為:

(3)

式中：a1、a2分別為空氣相、水相的體積分數(shù),并定義aq=0.5處為自由液面．

1.2 自航點確定方法

基于CFD方法將船-槳-新式導管三者耦合后進行自航仿真,采用等航速變轉(zhuǎn)速的方法來計算船模的自航點．由于安裝新式節(jié)能導管對船模的阻力和螺旋槳的推力產(chǎn)生了影響,所以船模的自航點發(fā)生了改變．需要對模型的自航點進行重新確定,即在設計航速V下,通過改變螺旋槳轉(zhuǎn)速n可以分別得到對應的螺旋槳推力T、船模阻力Rt．然后通過摩擦阻力修正公式計算出相應的強制力Fd．最后繪制推力T隨轉(zhuǎn)速n的變化曲線和船舶阻力與強制力的差值Rt-Fd隨轉(zhuǎn)速n的變化曲線,兩者交點即為該航速下的實船自航點,nm為自航點轉(zhuǎn)速,Tm為自航點對應的推力，如圖1．

圖1 船舶自航點確定方法Fig.1 Method to confirm self-propulsion point

2 數(shù)學模型

2.1 模型建立

新式節(jié)能導管的導板與定子剖面形狀參考荷蘭船模試驗水池發(fā)布的NO.19A導管型值[13]．其安裝在槳前左上方,介于螺旋槳與船體之間．新式節(jié)能導管由沿周向分布的定子和導板組成[14]．其特征為導板呈扇形結(jié)構(gòu)、3個定子伸出導板外．從螺旋槳后側(cè)看,左舷從上到下設有第一定子a、第二定子b、第三定子c,3個定子長度相等．導板d的背面分別與定子a、b、c固定連接．定子a、b、c以及導板d的剖面均為機翼型剖面;定子a與定子b的夾角β1為30°,定子b與定子c的夾角β2為30°．從定子根部往梢部方向看,3個定子的葉面在螺旋槳軸套上的投影與螺旋槳軸套的軸線夾角為α,且α1、α2、α3均為4°．導板半徑d為0.7R,定子長度為1.04R,其中R為螺旋槳半徑．以上導管設計參數(shù)由仿真計算優(yōu)化得到(圖2)．

圖2 新式槳前節(jié)能導管剖面模型Fig.2 New type of energy-saving ductconduit profile model

選用3 600 TEU集裝箱船模為研究對象,配套螺旋槳為KP505,設計航速為24 kn,此船型公布了大量試驗和數(shù)值計算結(jié)果[15],為對比計算結(jié)果提供了方便．船模及槳的主要參數(shù)見表1、2．

表1 3 600 TEU集裝箱船實船及模型主要參數(shù)Table 1 Main dimensions of 3 600 TEU container ship

表2 KP505螺旋槳模型主要參數(shù)Table 2 Main parameters of KP505

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設置

選取長方體計算域,網(wǎng)格基礎尺寸為0.38 m,網(wǎng)格總數(shù)為221萬．船模距離進口1.4Lpp,出口邊界距離船模2.9Lpp,左右邊界到船模側(cè)面的距離為1.5Lpp,上邊界位于水線0.3Lpp處,下邊界位于1.6Lpp處．計算網(wǎng)格設置為切割體單元網(wǎng)格,對船體和自由液面進行網(wǎng)格加密．計算域進口處設置為速度進口,出口設置為壓力出口,出口處的壓力始終保持不變;左右表面和上下表面設置為速度進口．船體、螺旋槳以及新式節(jié)能導管設置為混合壁面函數(shù)．計算域設置如圖3．

圖3 計算域設置Fig.3 Calculation domain settings

螺旋槳旋轉(zhuǎn)區(qū)域設置為一個圓柱域,網(wǎng)格基礎尺寸為0.07 m,網(wǎng)格總數(shù)為14萬．其半徑為1.1R，域長為0.65R．并且旋轉(zhuǎn)域的中心與螺旋槳的中心重合,水流方向為x軸,來流方向為正．新式節(jié)能導管與螺旋槳使用同一坐標系．

自航模擬將計算區(qū)域分為船和槳兩個子域．船域為試驗水池區(qū)域,槳域為船舶尾部螺旋槳區(qū)域,其中新式節(jié)能導管歸于船域．船域與槳域之間設置為滑移網(wǎng)格,用來模擬真實螺旋槳旋轉(zhuǎn)時周圍流場的變化．給定螺旋槳初始轉(zhuǎn)速進行自航仿真計算．自航模擬選用k-ε湍流模型,網(wǎng)格總數(shù)為235萬．船-槳-新式節(jié)能導管組合模型的部分網(wǎng)格劃分如圖4．

圖4 船-槳-導管組合模型的部分網(wǎng)格劃分Fig.4 Partial meshing and of ship-paddle-duct model

3 數(shù)值計算結(jié)果與分析

3.1 船-槳組合系統(tǒng)自航數(shù)值計算分析

基于CFD方法對無新式節(jié)能導管的船-槳一體系統(tǒng)進行自航仿真．將仿真計算結(jié)果與試驗結(jié)果相對比,驗證該仿真方法的可行性，為開展新式節(jié)能導管水動力性能研究提供可靠的仿真方法．模型的設計航速Vs=2.197 m/s,通過ITTC經(jīng)驗公式計算出船模設計航速下的強制力Fd=30.25 N,然后調(diào)節(jié)4組螺旋槳轉(zhuǎn)速,使螺旋槳產(chǎn)生的推力剛好等于船阻力減去強制力．仿真計算時長為50 s，步長為變時間步長,取穩(wěn)定后兩秒的時歷曲線觀察周期性波動(圖5)．數(shù)值計算結(jié)果表3．

圖5 自航仿真時歷曲線(無新式導管)Fig.5 Self-aircraft simulation time curve (without new duct)

從表3可以看出，隨著轉(zhuǎn)速增加,船模穩(wěn)定自航時的螺旋槳推力及槳扭矩逐漸增加,船舶總阻力也隨航速的增大而增大．

根據(jù)表3繪制自航仿真曲線,如圖6．通過插值得出在設計航速Vs=2.197 m/s時,自航點轉(zhuǎn)速n=577.855 6 r/min、推力T=61.936 4 N,推力系數(shù)KT=0.171 4,扭矩Q=2.741 5 N·m,扭矩系數(shù)KQ=0.030 3．根據(jù)相似定理,在螺旋槳敞水特征曲線上通過插值求得J=0.693 6,10KQ0=0.3,η0=0.63．則船模實際則船模的實際伴流分數(shù)ωm=0.239 7,相對旋轉(zhuǎn)效率ηR=1.016 1，tm為推力減額，ηH為船身效率，如表4．

表3 數(shù)值自航結(jié)果(無新式導管)Table 3 Computational results of self-propulsion(without new duct)

圖6 自航仿真曲線(無新式導管)Fig.6 Self-propelled test curve (without new duct)

表4 船槳自航實驗與仿真結(jié)果對比Table 4 Comparison of ship propeller self-propulsion experiment and simulation results

通過表4可以得出:① 船-槳組合的自航模擬結(jié)果與試驗值吻合良好,各項數(shù)據(jù)誤差均在6.9%以下；② 扭矩系數(shù)KQ誤差較大是因為對模型施加了強制力,螺旋槳的扭矩受到了影響,所以誤差加大；③ 由于螺旋槳推進效率ηD與螺旋槳敞水效率η0相關(guān),而η0誤差偏大,因此ηD誤差為6.9%．

自航模擬總體的結(jié)果滿足工程精度要求．對比驗證的結(jié)果說明文中所用的船-槳組合自航仿真的方法是可行的,為討論船-槳-新式導管組合的自航仿真提供了可靠的方法．

3.2 船-槳-新式導管組合系統(tǒng)自航數(shù)值計算分析

運用仿真方法對新式節(jié)能導管的水動力性能進行了數(shù)值計算，將計算結(jié)果與無新式節(jié)能導管的數(shù)值計算結(jié)果對比,評估出新式節(jié)能導管的節(jié)能效率,并為伴流分析提供數(shù)據(jù)支持．

為了方便計算結(jié)果的對比,船模選擇的航速與上節(jié)船模的航速相同，Vs=2.197 m/s,計算得到船模在設計航速下的強制力Fd依然為30.25 N．仿真計算物理時長t為50 s,時間步長為變時間步長,取穩(wěn)定后兩秒觀察曲線周期性波動,如圖7．通過周期性曲線得到船模相關(guān)數(shù)據(jù)如表5．

圖7 自航仿真時歷曲線(有新式導管)Fig.7 Self-aircraft simulation time curve(with new duct)

表5 數(shù)值自航結(jié)果(有新式導管)Table 5 Computational results of self-propulsion(with new duct)

由表5中的各項數(shù)據(jù)繪制自航試驗曲線,如圖8．可以通過插值取得自航點轉(zhuǎn)速n=551.747 1 r/min,推力T=62.679 5 N,扭矩Q=2.713 8 N·m．其余計算結(jié)果如表6．

圖8 自航試驗曲線(有新式導管)Fig.8 Self-propelled test curve (with new duct)

表6 有無新式節(jié)能導管自航計算結(jié)果對比Table 6 Comparison of self-propelled calculation results with and without new energy-saving ducts

對比有無新式節(jié)能導管的仿真計算結(jié)果可知:① 船模在達到同一設計航速時,轉(zhuǎn)速n下降1.4%,推力T增加1.2%,扭矩Q下降1.01%．通過計算,螺旋槳敞水效率η0下降1.4%,相對旋轉(zhuǎn)效率ηR下降0.8%,但船身效率ηH提高了9.8%,所以總推進效率ηD提高了5.7%．說明由于新式節(jié)能導管的存在,螺旋槳的推進效率提高顯著．② 在船模穩(wěn)定自航時,船后螺旋槳接收到的效率PD下降了5.35%,故新式節(jié)能導管的節(jié)能效率為5.35%．

3.3 新式節(jié)能導管對船尾流場的影響

對船后尾流及槳盤面伴流進行對比,為分析新式節(jié)能導管產(chǎn)生節(jié)能效果的原因．計算工況分為加裝新式節(jié)能導管與未加裝新式節(jié)能導管,其中航速均選取船模設計航速Vs=2.197 m/s．

圖9為加裝新式節(jié)能導管前后船尾流線的變化．對比船尾部的流線可以發(fā)現(xiàn),流線經(jīng)過節(jié)能導管后整體向左偏，這是由于導管和定子安裝在左舷并對螺旋槳起到了預旋的作用，說明水流經(jīng)過節(jié)能導管后,改變了水流的方向,可以加速螺旋槳的旋轉(zhuǎn)速率．

圖9 有無扇形導管船后流線Fig.9 Rear view of the ship with orwithout fan-shaped duct

圖10為螺旋槳槳盤面各半徑處的軸向速度Vx和切向速度Vt分布，其中θ為從船尾指向船首的12點鐘位置,定義順時針方向為正方向．

(1) 由0.5R、0.6R處伴流的軸向速度可以看出,90°～270°內(nèi)安裝新式節(jié)能導管的曲線與未安裝導管的曲線吻合良好．這是由于導管位于螺旋槳左上側(cè),無法作用到該區(qū)域內(nèi)．

(2) 新式節(jié)能導管的導板在螺旋槳直徑的60%處,因此在0.6R～0.7R的范圍內(nèi)外部定子與導板相互配合,增加了螺旋槳下部的軸向速度．在285°～360°范圍內(nèi)安裝節(jié)能導管的曲線陡降,軸向速度明顯變小,這是由于定子的存在,其具有一定的阻流作用．

(3) 通過0.5R、0.6R、0.7R處的切向速度曲線分布可以看出,節(jié)能導管的存在使得螺旋槳切向速變小,且切向速度為負值,意味著水流速度與螺旋槳轉(zhuǎn)動方向相反,增加了螺旋槳的相對轉(zhuǎn)動速度,起到了預旋作用

(4) 在0～90°、270°～360°處切向速度降低明顯．證明了安裝在螺旋槳左上側(cè)的節(jié)能導管預選范圍相對較大,對螺旋槳的其他區(qū)域也產(chǎn)生了影響．

圖10 槳盤面各半徑處切向與軸向速度分布Fig.10 Tangential and axial velocity distribution at each radius of the paddle surface

圖11、12為有無新式節(jié)能導管的槳前和槳后近槳盤面切向速度分部云圖，其中深色區(qū)域為正值與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同,淺色區(qū)域為負值與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反,且顏色的深淺表示速度的大?。ㄟ^分析可知:

(1) 對比11(a)和12(a)可知水流在經(jīng)過螺旋槳后,右上側(cè)的切向速度明顯增加．螺旋槳半徑內(nèi)的水流方向與螺旋槳基本一致,螺旋槳右側(cè)存在低速區(qū)域．

(2) 對比11(b)和12(b)可得,由于新式安裝節(jié)能導管,使得左側(cè)出現(xiàn)藍色區(qū)域,說明切向速度明顯減小,但是螺旋槳相對水流的轉(zhuǎn)速增加,根據(jù)螺旋槳的水動力性能可知螺旋槳相對旋轉(zhuǎn)速度增加而實際速度不變可知,螺旋槳的效率增加．

(3) 對比11(a)和11(b),槳前切向速度的高速區(qū)域移到了0.9R以外的地方,0.9R以內(nèi)的切向誘導速度明顯降低,說明節(jié)能導管在該處產(chǎn)生了較大的預旋作用,并且成功改善了螺旋槳前左上側(cè)的伴流分布,使得槳盤面左上側(cè)的伴流更加均勻．

(4)對比分析槳后切向速度分布云圖12(a)、(b)，加裝節(jié)能導管的螺旋槳紅色區(qū)域減小,螺旋槳后上半部分的切向速度明顯下降,表明螺旋槳后尾流旋轉(zhuǎn)速度變小,這可以體現(xiàn)出節(jié)能導管有助于降低螺旋槳旋轉(zhuǎn)能量的損失．

圖11 槳前近槳盤面切向速度分布Fig.11 Tangential velocity distribution of the nearpaddle surface before the paddle

圖12 槳后近槳盤面切向速度分布Fig.12 Tangential velocity distribution of the nearpaddle surface after the paddle

4 結(jié)論

基于CFD方法對新式節(jié)能導管展開水動力性能研究，通過分析螺旋槳接收效率、船后流線、螺旋槳盤面前后伴流,得到:

(1) 通過分析船槳耦合后的仿真計算結(jié)果,對比試驗值與仿真值,得到的各項數(shù)據(jù)誤差均在6.9%以內(nèi)．說明該仿真計算方法可以很好地模擬在船槳耦合下的船舶自航運動,計算結(jié)果能夠滿足工程精度要求．

(2) 運用自航仿真的方法,展開新式節(jié)能導管的水動力性能研究,結(jié)果表明加裝新式節(jié)能導管的螺旋槳比未加裝該導管的螺旋槳收到的功率降低了5.35%,即文中的新式節(jié)能導管的節(jié)能效率約為5.35%．

(3) 通過分析船后尾流及槳盤面伴流可知,新式節(jié)能導管通過其導板和定子引導水流,使水流運動方向與螺旋槳運動方向相反,提高了螺旋槳槳葉相對水流的旋轉(zhuǎn)速度．起到了導流預旋的作用．槳葉相對水流的旋轉(zhuǎn)速度變大,使得螺旋槳推力增加,扭矩減小,提升了螺旋槳接收到的效率．

(4) 從能量平衡的角度分析,水流流經(jīng)新式節(jié)能導管后,螺旋槳后的切向速度減小,說明該導管降低了螺旋槳在尾流中旋轉(zhuǎn)能量的損失．