基于CFD技術(shù)的節(jié)能舵球節(jié)能效果數(shù)值預(yù)報(bào)

李學(xué)軍，苗 飛，沈海龍

（1.中遠(yuǎn)船務(wù)工程集團(tuán)有限公司，遼寧大連 116600；2.哈爾濱工程大學(xué) 水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱 150001）

0 引言

隨著國(guó)際海事組織對(duì)船舶能耗和廢物排放限制新標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，我國(guó)船舶制造與運(yùn)輸企業(yè)對(duì)船舶節(jié)能減排技術(shù)的需求也越來(lái)越迫切。通過(guò)安裝導(dǎo)流鰭[1]、前置導(dǎo)管[2]、補(bǔ)償導(dǎo)管[3-5]、槳前整流鰭[6-9]舵球、舵附推力鰭等節(jié)能裝置來(lái)改善槳盤(pán)面處的伴流分布，對(duì)于螺旋槳的減振降噪、螺旋槳推進(jìn)效率的提高是一種有效的措施。舵球是一種簡(jiǎn)易、實(shí)用、節(jié)能效果顯著的尾部節(jié)能附體，安裝在正對(duì)螺旋槳轂的舵上，其頭部呈半球形。它填充了螺旋槳轂帽后的低壓區(qū)空間，對(duì)螺旋槳后的水流有良好的整流作用，從而減少了紊流渦流引起的能量損失。

文章采用CFD技術(shù)對(duì)槳后舵球的水動(dòng)力性能進(jìn)行了研究分析，借助CFD商業(yè)軟件FLUENT，選用大渦模擬（LES），通過(guò)求解三維粘性不可壓縮雷諾平均納維-斯托克斯方程（RANS），對(duì)AU5-593槳進(jìn)行數(shù)值模擬，研究了槳舵干擾，并且預(yù)報(bào)了螺旋槳-舵-舵球系統(tǒng)的水動(dòng)力性能，考察槳后舵對(duì)螺旋槳性能的影響及舵球的節(jié)能效果，通過(guò)改變舵球直徑與螺旋槳直徑的比值，考察了舵球尺寸的變化對(duì)螺旋槳效率的影響。

1 數(shù)值計(jì)算過(guò)程

1.1 研究對(duì)象的幾何模型

螺旋槳模型型號(hào)為AU5-593槳，其參數(shù)如表1所示。舵采用對(duì)稱(chēng) NACA66-018剖面舵，舵高0.306m，展弦比為1.04。槳轂與舵球前端的距離為0.06m，舵球直徑與螺旋槳直徑之比為0.216。螺旋槳、舵、舵球的幾何外形如圖1和圖2所示。

表1 螺旋槳的參數(shù)

圖1 螺旋槳的幾何外形

圖2 螺旋槳-舵-舵球模型

在生成幾何模型時(shí)，首先使用Fortran語(yǔ)言編寫(xiě)的面元法程序計(jì)算出螺旋槳表面的型值點(diǎn)，然后利用GAMBIT軟件建模，使用高階NURBS曲線(xiàn)采用插值的方式生成光順的槳葉和槳轂表面控制曲線(xiàn)，再以這些控制曲線(xiàn)為基礎(chǔ)，由高階NURBS曲面生成光順的三維螺旋槳槳葉和槳轂表面，最終由這些光順的曲面建立螺旋槳幾何模型，舵及舵球模型的建立也是采用同樣的方法，將螺旋槳、舵、舵球模型組合起來(lái)，即可形成槳舵組合和螺旋槳-舵-舵球系統(tǒng)模型。在建模的過(guò)程中使用的是直角坐標(biāo)系O-XYZ，X軸方向代表來(lái)流方向，它沿著螺旋槳的旋轉(zhuǎn)軸指向下游；Y軸與螺旋槳的某一槳葉的頁(yè)面參考線(xiàn)一致；Z軸服從右手定則。

1.2 計(jì)算域與網(wǎng)格的劃分

整個(gè)流場(chǎng)以螺旋槳母線(xiàn)和旋轉(zhuǎn)軸及其交點(diǎn)為基準(zhǔn)，分別指向速度入口方向、壓力出口方向以及螺旋槳直徑方向延伸2倍、5倍和3倍的螺旋槳直徑，以此為計(jì)算域。

使用CFD前處理軟件GAMBIT劃分流場(chǎng)網(wǎng)格，基于滑移網(wǎng)格技術(shù)，模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，將流場(chǎng)分為完全靜止的部分和繞槳軸旋轉(zhuǎn)的部分。整個(gè)流場(chǎng)設(shè)置成圓柱形，外圓柱不動(dòng)，模擬實(shí)際流場(chǎng)；內(nèi)圓柱包含螺旋槳，與螺旋槳一起以給定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，模擬螺旋槳的實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)。文中在劃分網(wǎng)格時(shí)采用了局部加密的方法，對(duì)于槳葉和槳轂部分進(jìn)行加密，而對(duì)于出口段的網(wǎng)格，將其密度適當(dāng)降低，以便控制總網(wǎng)格數(shù)。這樣，對(duì)于單個(gè)螺旋槳來(lái)說(shuō)，整個(gè)流場(chǎng)共生成180萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，其中外圓柱生成61萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格，內(nèi)圓柱生成119萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。

1.3 邊界條件的設(shè)置

邊界條件分為五個(gè)部分，分別是速度入口（inlet），壓力出口（pressure out），界面（interface），壁面（wall）和遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件。由于不考慮空泡，速度入口處給定來(lái)流速度，來(lái)流的參考?jí)毫υO(shè)為0，同樣壓力出口的靜壓力也設(shè)置為0，壁面設(shè)為不可穿透的光滑壁面，遠(yuǎn)場(chǎng)邊界條件可以設(shè)置為速度入口，且將速度和參考?jí)毫O(shè)為0。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

2.1 敞水槳計(jì)算結(jié)果及與試驗(yàn)值的比較

計(jì)算中，進(jìn)速系數(shù)J分別取為0.3、0.4、0.5、0.6，螺旋槳轉(zhuǎn)速為一定值，n=3000r/min，進(jìn)速系數(shù)J的變化通過(guò)改變來(lái)流流速VA大小來(lái)實(shí)現(xiàn)。計(jì)算所得的敞水效率曲線(xiàn)及與試驗(yàn)值的比較如表2和圖3所示，所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)均來(lái)自文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]。

表2 敞水效率計(jì)算結(jié)果

圖3 敞水效率曲線(xiàn)

比較計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值，在進(jìn)速系數(shù) 0.3~0.6的變化范圍內(nèi)，敞水效率的計(jì)算值與試驗(yàn)值的偏差分別為5.50%、6.69%、8.32%、10.99%，平均偏差7.88%，且隨著進(jìn)速系數(shù)的增加偏差值逐漸增大。總的來(lái)說(shuō)，在計(jì)算螺旋槳的敞水性能時(shí)出現(xiàn)了較大的誤差。究其原因，一方面是由于在實(shí)體建模的過(guò)程中所建立的模型與實(shí)際的槳模之間存在一定的差異；另一方面是由于近壁處理方法選取不當(dāng)及邊界條件的簡(jiǎn)化設(shè)置而造成的。但誤差在可接受的范圍之內(nèi)，與試驗(yàn)值基本吻合，驗(yàn)證了計(jì)算方法的準(zhǔn)確性和可靠性。

2.2 槳舵干擾的數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

在螺旋槳模型的基礎(chǔ)上加上舵的模型，建立槳舵組合，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算域、網(wǎng)格劃分、邊界條件的設(shè)置及計(jì)算時(shí)的參數(shù)設(shè)置均與孤立螺旋槳相同。將螺旋槳敞水效率計(jì)算值與含舵推力效率計(jì)算值進(jìn)行比較，結(jié)果如表3和圖4所示。從表3和圖4可以看出，舵的存在有助于改善螺旋槳的性能，在設(shè)計(jì)進(jìn)速系數(shù)J=0.5處，螺旋槳的效率增加值為1.38%，這與試驗(yàn)結(jié)果表明舵可對(duì)螺旋槳的性能產(chǎn)生有利干擾的結(jié)論是一致的。

2.3 槳-舵-舵球組合的數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析

在槳舵組合的基礎(chǔ)上加入舵球的模型，建立螺旋槳-舵-舵球系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，計(jì)算域、網(wǎng)格劃分、邊界條件的設(shè)置及計(jì)算時(shí)的參數(shù)設(shè)置均與孤立螺旋槳相同。將螺旋槳含舵球附加推力效率計(jì)算值與含舵附加推力效率計(jì)算值進(jìn)行比較，結(jié)果如表4和圖5所示。從表4和圖5中可以看出，加裝了舵球之后，螺旋槳的效率有所增加。與含舵相比，在設(shè)計(jì)進(jìn)速系數(shù)J=0.5處效率增加值為4.895%，且效率增加值隨著進(jìn)速系數(shù)的增加而增大。

2.4 舵球參數(shù)對(duì)螺旋槳效率的影響

舵球的直徑對(duì)節(jié)能效果的影響顯著，為得到合適的舵球直徑，本文改變舵球直徑設(shè)計(jì)參數(shù)并進(jìn)行了一系列計(jì)算。螺旋槳模型仍采用上一算例中的模型 AU5-593。進(jìn)速系數(shù)取為J=0.5，舵球直徑在0.050m~0.077m（即舵球直徑與螺旋槳直徑之比為0.208~0.300）之間變化。計(jì)算結(jié)果如圖6所示。圖6顯示，在此舵球直徑變化范圍內(nèi)，螺旋槳效率改變較大。總體來(lái)說(shuō)，舵球直徑與螺旋槳直徑之比在0.208~0.292之間變化時(shí)，舵球的節(jié)能效果良好，并且有逐漸增大的趨勢(shì)。在舵球直徑與螺旋槳直徑之比為0.292處，其節(jié)能效果最好，達(dá)7.66%。

表3 螺旋槳效率與含舵附加推力效率的比較

表4 含舵球附加推力效率與含舵附加推力效率的比較

圖4 螺旋槳效率與含舵推力效率比較

圖5 含舵球附加推力效率與含舵附加推力效率的比較

圖6 不同舵球直徑下的節(jié)能效果

3 結(jié)論

借助CFD商業(yè)軟件FLUENT作為求解器，使用GAMBIT劃分網(wǎng)格，運(yùn)用滑移網(wǎng)格技術(shù)，采用大渦模擬計(jì)算了孤立螺旋槳、槳舵組合、螺旋槳-舵-舵球系統(tǒng)的水動(dòng)力性能，得到的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值較為吻合，初步驗(yàn)證了該計(jì)算方法的可靠性。計(jì)算結(jié)果表明，舵可對(duì)螺旋槳的性能產(chǎn)生有利的干擾，而舵球可起到明顯的節(jié)能效果，并且舵球的節(jié)能效果與舵球尺寸之間存在一定的關(guān)系，這對(duì)舵球的實(shí)際運(yùn)用提供了一定的理論參考。

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