基于混合網格技術的槳前超級導流管的仿真研究

鄭小龍 黃 勝

（哈爾濱工程大學 船舶工程學院 哈爾濱150001）

引 言

如今，能源對人類生活的影響已達到舉足輕重的地位，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，國內外已經有很多學者對船舶螺旋槳水動力性能及推進節(jié)能裝置開展了大量研究［1-7］。馬騁等人［3］建立了螺旋槳-舵-舵球推進組合的數(shù)學仿真模型，對組合推進裝置的水動力性能進行了研究，結果證明能獲得比原船型節(jié)能5.1%的效果；黃勝等人［4］進行扭曲舵的研究工作，開展扭曲舵的水動力性能預報及模型試驗研究，并驗證扭曲舵的工作原理；蘇玉民等人［5］以升力系數(shù)為設計目標，運用面元法理論迭代設計具有任意指定壓力分布形式的三維機翼，并通過平頂壓力分布形式設計出空泡性能優(yōu)良的槳葉。超級導流管（SSD）作為一種新型的水動力節(jié)能附加裝置，其研究和開發(fā)對目前乃至今后我國的水運事業(yè)和海軍裝備具有深遠意義。

本文確定了超級導流管（SSD）水動力性能分析的CFD仿真方法，并應用流體力學分析軟件FLUENT進行數(shù)值模擬。首先，在ICEM-CFD軟件中建立了船體、螺旋槳和超級導流管（SSD）的幾何模型，并進行網格的劃分，在FLUENT軟件中進行了計算及結果后處理，然后將安裝超級導流管（SSD）前后的船模阻力和螺旋槳推力的計算值和試驗值進行對比，對比結果表明本文建立的研究槳前超級導流管（SSD）節(jié)能效果的CFD數(shù)值仿真方法是正確無誤的。

1 數(shù)學模型

螺旋槳在流體中以一定的轉速旋轉，可視作螺旋槳模型在軸向靜止。假定其周向水域旋轉，而螺旋槳與之保持相對靜止，采用不可壓縮流體RANS方程組作為求解船舶粘性流場特性的控制方程，質量方程為：

動量方程為：

式中：t為時間；ρ為流體密度；μ為流體的動力粘性系數(shù)；ui和uj為速度分量時均值；p為靜壓；xi和xj分別為i和j方向上的位置坐標；gi為單位質量的重力為雷諾應力，雷諾應力項屬于未知量。本文選取k-ωSST湍流模型［6］，為使方程組封閉，需對應力項作某種假設，引進新的湍流模型，以此把應力項中的脈動值與時均值聯(lián)系起來。

2 網格劃分及邊界條件設定

2.1 計算模型的建立及網格劃分

計算選用載重量為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。螺旋槳采用自行設計的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、舵板和超級導流管（SSD）模型則是通過Fortran程序導入數(shù)據(jù)點，直接在ICEM中進行建模。圖1所示為超級導流管三維幾何模型，圖2所示為超級導流管的側視圖。導管距離槳盤中心40 mm，根據(jù)改變開角θ導流管也可分為不同型號。圖3為全附體船體模型圖。

圖1 超級導流管三維幾何模型

圖2 超級導流管側視圖

圖3 整體幾何模型圖

網格的劃分是CFD模擬過程中最為重要的環(huán)節(jié)，網格質量的好壞直接影響模擬精度和效率。網格過密會導致計算量增大且計算難以收斂，而網格過疏往往會導致結果不精確。假定水深無限，流域采用長方體流場表達，為保證來流均勻，采取流域的來流入口距離船首為1倍船長。為保證出口不受尾流的影響，尾流出口距離船尾設置為2倍船長，水深設置為1倍船長，水池寬度為2倍船長。本文的計算網格采用混合型網格，即船身采用結構六面體網格，船尾部分采用非結構四面體網格，兩部分網格通過Interface連接，網格模型分別如圖4和圖5所示。

圖4 船尾部的非結構網格劃分

圖5 船體流域的整體網格

2.2 邊界條件的設定

本文研究對象是船舶的自由航行狀態(tài)。來流入口（Inlet）設定為速度入口, 即船舶航行的速度，尾流出口邊界（Outlet）定義為質量出口邊界。數(shù)值水池表面設為壁面，選用k-ωSST湍流模型，螺旋槳的旋轉通過滑移網格（Frame Motion）技術來實現(xiàn)，螺旋槳的小域繞槳軸以一定的角速度繞槳軸旋轉。使用有限體積法離散控制方程和湍流模式，對流項和擴散項的離散采用2階迎風格式，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)設定為1e-07。

3 計算結果與分析

3.1 無導管狀態(tài)下的流場計算結果

對無導管的光體船進行數(shù)值仿真，取8個不同航速狀態(tài)進行CFD計算，提取出無導管時光體船的阻力及螺旋槳水動力系數(shù)，并將計算結果與試驗值進行對比，結果如表2-表4及下頁圖6所示。

表2 無導管自航螺旋槳推力值（N）

表3 無導管自航螺旋槳轉矩值（N·m）

表4 無導管自航船體阻力值（N）

圖6 無導管時船尾流場的速度云圖

通過CFD計算得到的螺旋槳推力、轉矩以及船體阻力，與模型試驗結果對比可見，二者十分吻合，具有良好的趨勢一致性，說明本文采用的計算方法能夠準確預報船體的阻力及螺旋槳的水動力性能。

3.2 加裝超級導管狀態(tài)下的的流場計算結果

對裝有開角θ=15°的超級導流管的船體進行數(shù)值仿真，取8個不同航速狀態(tài)進行CFD計算，提取出在加裝導流管后船體阻力及螺旋槳水動力系數(shù)，并與試驗值進行對比，結果如表5-表7和下頁圖7所示。

表5 加裝導流管時螺旋槳推力值（N）

表6 加裝導流管時螺旋槳轉矩值（N·m）

表7 加裝導流管時船體阻力值（N）

由圖表中列出的仿真計算與模型試驗結果對比可以看出，通過CFD軟件計算螺旋槳推力、轉矩以及船體阻力與試驗值吻合度很高，具有良好的趨勢一致性。通過將加裝導管后的計算值與裸船體對比發(fā)現(xiàn)，螺旋槳的推力有所增大，轉矩值有所減小。根據(jù)推進效率公式計算可知，螺旋槳的推進效率明顯增大，船體的阻力沒有發(fā)生明顯變化，說明導流管對船體阻力性能的影響可以忽略不計。

圖7 加裝導流管時船尾流場的速度云圖

將加裝超級導流管的船尾速度分布云圖與裸船體對比發(fā)現(xiàn)，當流體流經導管之后會有一個加速，即在相等的航速時螺旋槳的進流速度變大，對螺旋槳推進效率的提高產生積極影響。此現(xiàn)象與上述表格中的計算值較為符合。在船尾處的流線受到超級導流管的作用，更貼近船體表面，避免船尾流場的分離而產生“穩(wěn)流效應”，從而可以減小船舶的形狀阻力。由圖7還可以看出，導流管翼剖面內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形成一個壓力差，使超級導流管提供一個向前的推力，達到了節(jié)能效果。

表8所示為航速16.5 kn時，導管開角分別為9°、10°、11°、12°、13°、14°時的螺旋槳水動力性能，由上表中列出的仿真計算與模型試驗結果對比可以看出，通過CFD軟件計算而得的螺旋槳水動力系數(shù)與試驗值吻合度依然較高。隨著開角的逐漸增大，螺旋槳的推力變化呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢，側視圖開角為10°時達到最小，開角為14°時達到最大；螺旋槳的轉矩隨著開角增大呈現(xiàn)先減后增的趨勢，且螺旋槳的轉矩在開角為12°時達到最小，開角為9°時達到最大。

表8 加裝不同開角的導流管時螺旋槳水動力性能

總體而言，對于不同類型的超級導流管，采取本文所使用的計算方法均能獲得較好結果，這也說明本文所采用的計算方法十分可靠。

4 結 論

采用混合網格技術對槳前超級導流管的節(jié)能效果進行CFD驗證，將加裝導流管前后的螺旋槳水動力系數(shù)及船體阻力進行對比，計算結果表明槳前導流管能提高螺旋槳的推進效率，且不會使船體阻力明顯增大。在驗證超級導流管節(jié)能效果的同時，還提供一套預報船體粘性流場的數(shù)值計算方法，對后續(xù)研究工作具有重要的參考價值。

［1］ Koyama K.Comparative calculations of propeller by surface panel method-workshop organized by 20th ITTC propulsion committee［J］.Papers of Ship Research Institute，1993，15（Supplement）：57-66.

［2］ Young Y L.A BEM for prediction of unsteady mid-chord face and/ or back propeller cavitation［J］.Journal of Fluids Engineering，2001（6）：311-319.

［3］ 馬騁，錢正芳，張旭，等.螺旋槳-舵-舵球推進組合體水動力性能的計算與仿真研究 ［J］.船舶力學，2005（5）：38-45.

［4］ 祝享元，黃勝，郭春雨，等.槳后扭曲舵的理論設計及水動力性能計算 ［J］.哈爾濱工程大學學報，2008（2）：127-129.

［5］ 蘇玉民，黃勝.用面元法預報船舶螺旋槳的水動力性能 ［J］.哈爾濱工程大學學報，2001（2）：41-48.

［6］ 劉志華，熊鷹，葉金銘，等.基于多塊網格混合的RANS方法預報螺旋槳水動力性能的研究［J］.水動力學研究與進展，2007（ 4）：450-456.

［7］ 孔為平，王金寶，馮學梅.螺旋槳敞水性能數(shù)值預報方法研究 ［J］.船舶，2012（6）：13-21.

［8］ 王國強，盛振邦.船舶推進 ［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2003.

［9］ 王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京：清華大學出版社，2004.

［10］ 張兆順，崔桂香，許春曉.湍流理論與模擬［M］.北京：清華大學出版社，2004.