噴水推進裝置降低船體阻力機理的仿真分析

胡彬彬，程 濤，程 哲，杜文國，韓海輝

（武漢船用機械有限責任公司技術中心，武漢 430084）

0 引 言

噴水推進裝置作為一種新型船舶推進裝置，通過推進泵噴出水流所產生的反作用力推動船舶前進，具有許多常規螺旋槳所不及的優點[1～3]。航速＞25kn時，噴水推進系統總推進效率可達60%以上；噴水推進裝置葉輪在泵殼內工作，不易產生空化現象，激振力小，工作平穩、噪聲低、抗空化能力強；噴水推進裝置功率-航速曲線平坦，在船舶工況多變情況下能充分利用主機功率，適應變工況能力強、主機不易發生過載現象；裝有噴水推進裝置的船舶操縱無需改變主機轉速，而依靠偏折推進泵噴射出高速水流實現船舶轉向和倒航，操縱性和動力定位性能優異；噴水推進在安靜型軍用艦艇、動力定位要求高的艦船、高性能船舶、變負荷工作船、重負荷肥大型運輸船及淺吃水船上具有明顯的優勢。

許多研究表明，船上裝有噴水推進裝置時，高速時會發生船體阻力下降的現象。不同學者對這種現象有不同解釋：一部分學者[4]認為噴水推進裝置工作時，進流管道從船底吸水，水流經噴泵加速后從噴口高速噴出，進入流道的水流改變了周圍船體的流場，作用在進水流道上的力對船體產生力矩，并影響了船體航態。高速時，吸水口破壞船體周圍表面的邊界層，降低船體摩擦阻力，從而一定程度上降低船體阻力；另一部分學者[5,6]的研究則認為流體作用于進流管道所產生的垂向力抬升船艉是降低船體阻力的主要原因。

1 船體與噴水推進裝置的水動力仿真

從ITTC推薦的試驗及CFD的示意圖[7]（見圖1）可看出，船體與噴水推進系統相互作用主要區域包括自由表面，進流管道，噴水推進泵，噴嘴，收縮段，上游來流等。其中，水流進入推進泵前需經過進水流道引流，泵對船體產生影響區域體現在流道出口處，泵的旋轉對流道進口幾乎沒有影響。ITTC在噴水推進船模自航試驗泵模型選擇上有兩種方法：1) 采用縮比泵，直接測量作用于噴水推進器上的推力；2) 采用滿足流量要求的任意泵．通過測量流量計算推力。數值計算也采用兩種方法代替泵的作用。1) 通過數值模型代替泵的作用[8,9]，而激盤模型是代替泵作用的模型之一；2) 在CFD中采用流量邊界條件代替泵作用：數值計算模型不包括真實泵，而是用泵進口面為流量出口邊界條件來模擬泵抽吸水流作用。用泵出口面為流量進口邊界條件來模擬噴射的射流，其中進出口流量相等[10]。國外采用激盤理論的方法使用較多，對推力事先進行預估；國內通常采用流量進出口邊界法，這種方法更簡便，實際上也是通過預估的推力計算流量，從而給定邊界上流量的數值。在本文中，采用激盤模型對噴水推進與船體的相互作用進行仿真。

圖1 ITTC動量流量定義

1.1 仿真計算域建模

噴水推進裝置與船體相互作用計算域的建模過程包括：船體建模，噴水推進裝置的進水流道建模，船體與進水流道組合后的建模（船體挖空），近似無限海域的建模，海域與挖空船體的組合（定義流體和固體域）。

1.2 計算方法及湍流模型

在計算噴水推進裝置與船體的相互作用中，考慮興波阻力對船體的影響，采用兩相自由面法進行求解。湍流模型采用k-ωSST 模型。計算時為考慮船體的航行姿態，耦合船體運動方程迭代。采用激盤模型模擬計算噴水推進泵對進水流道的影響。

1.3 邊界條件的設定

邊界條件對海域和船體域分別設定，海域與大氣不相交處采用無窮遠速度邊界，與大氣相交處采用預設壓力邊界，自由面將海水與氣體分為兩個區域，船體甲板采用自由滑移壁面邊界，其他船體域設為固定壁面邊界。

2 實船仿真及結果分析

2.1 實船參數及噴推裝置

用于實船仿真的船體為12.9m鋁制測量快艇船，安裝WDJ120型噴水推進產品。裸船在拖曳水池進行了船體阻力試驗。船體主要參數見表1，三維船體見圖2。

2.2 裸船CFD仿真及試驗驗證

裸船CFD仿真包括確定計算域、網格劃分、計算方法及湍流模型、邊界條件的確定[11]。圖3給出計算域、網格處理結果。仿真結果與船模試驗結果的對比見表2。從對比結果可知，在較低Fr數時，仿真結果與試驗結果非常接近，當Fr數逐漸增加時，CFD結果相比船模結果小，誤差增加。這是由于船體高速過程中噴濺阻力占據影響因素越來越大，噴濺阻力的仿真誤差較大，引起船體阻力計算與試驗結果差距增加，所以在Fr＞0.7時，需考慮仿真誤差，修正仿真結果。

表1 12.9m鋁制測量快艇的船型參數

圖2 鋁制測量快艇三維船體

圖3 裸船計算域

表2 總阻力對比結果

2.3 船體-噴水推進相互作用的CFD仿真及結果分析

船體-噴水推進相互作用仿真包含計算域確定、網格劃分、計算方法、湍流模型、激盤模型、邊界條件的確定。圖4給出了計算域和網格的處理結果。

圖4 船體與噴水推進作用的CFD計算域及網格

表3給出了裸船的船體阻力與噴水推進-船體的船體阻力的仿真結果的對比。從表3可知，隨著Fr數的增加，噴水推進-船體時的船體阻力相比裸船的阻力會有所下降。

表3 船體阻力對比結果

因為船體阻力由摩擦阻力和剩余阻力組成，為進一步分析船體阻力各組分的變化，表4給出了裸船與噴水推進-船體兩種情況下各阻力組分隨Fr數的變化情況

表4 船體阻力各組分對比結果

從表4可知，安裝有噴水推進裝置的船體，不同雷諾數下的摩擦阻力與裸船的相比差異較小，隨著Fr增加，剩余阻力相對裸船會有明顯的降低，因此從仿真結果可知，造成“噴水推進+船體”條件下船體阻力下降的主要原因是由于剩余阻力的下降，對本船主要是興波阻力有所降低。

為分析興波阻力下降的原因，圖5給出了不同Fr數時，裸船與船體+噴水推進的不同滑行姿態及濕水面積。

圖5 裸船與船體+噴水推進的不同的滑行姿態及濕水面積

從縱傾角與濕水面積可知，安裝噴水推進裝置后，由于與船體相連的進水流道產生向上垂向力，在高速時，使船體縱傾角下降，雖然會伴隨產生濕面積增加，增加摩擦阻力，但縱傾角的變化降低興波阻力，總體阻力依然下降。

3 結 語

1) 通過數值仿真方法，分析船體與噴水推進裝置間的相互作用。通過試驗結果的對比，表明仿真方法的正確有效。

2) 仿真結果表明，裝有噴水推進裝置船體的摩擦阻力分量并未減小，阻力降低機理在于航行過程中，噴水推進裝置所產生的垂向力改善了船體的縱傾角，降低了興波阻力。并且隨著航速的增加，縱傾改善的效果更明顯。

3) 裝有噴水推進裝置的船舶在高速時由于縱傾角的改善，使船體阻力降低，更容易達到起滑狀態。

4) 噴水推進裝置產生垂向力的特點，使裝有噴水推進裝置船舶的LCG位置確定變得更為重要。LCG離船艉過遠，噴水推進產生的垂直力會加劇船艏浸沒效應，嚴重時甚至發生船艏翻轉現象。

[1] 程 濤，趙治國，田 楠，等. 淺談噴水推進裝置的軸流泵與混流泵[J]. 海洋工程裝備，2013 (8).

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