帶節能裝置的船模自航試驗數值模擬

程 宣 愷

（上海船舶研究設計院，上海 200032）

0 引 言

能源緊缺、石油價格上漲、溫室效應等問題使得節能減排越來越引起關注。船舶航運業消耗大量的能源和排放大量的溫室氣體，因此船舶節能成為世界各國造船界和航運界研究的重要課題。近年來，國際海事組織（IMO）加快了實施綠色造船、限制新建船舶溫室氣體排放的步伐，推動了船舶能效設計指數（EEDI）和能效運營指數（EEOI）標準的制定和實施[1]。EEDI和EEOI的強制執行對船舶行業有較大的影響，因此，提高船舶能效水平是設計人員重點關注的問題。目前，國內外正在大量研究采用水動力節能裝置提高EEDI和EEOI。日本三井造船從1986年開始研究在螺旋槳轂帽上安裝與螺旋槳槳葉數量相同的小鰭片，可以減小螺旋槳后形成的轂渦，從而提高螺旋槳效率。荷蘭Maritime研究中心Dang Jie開展了前置導管、螺旋槳轂帽鰭等節能裝置的研究[2]。國內一些船舶研究機構也對螺旋槳轂帽鰭進行了大量的試驗研究[3～5]，主要研究不同布局的預旋三角導管對船舶阻力、自航因子和各效率的影響，優選出性能較好的預旋三角導管布局，然后通過水池試驗驗證，為船舶節能裝置的設計提供參考。

1 節能裝置幾何模型

1.1 預旋三角導管

采用的節能裝置是預旋三角導管，其是一種用于右旋單槳船的節能導管（見圖 1、2），設于船尾的螺旋槳20以及船體21之間，其特征為：

1）預旋三角導管呈扇形結構，從螺旋槳20后側看，船體中縱剖面的左側船尾從上到下設有第二葉子12、第一葉子11，右側設有第三葉子13；第一葉子11、第二葉子12以及第三葉子13的長度相等；第一葉子11的葉根、第二葉子12的葉根以及第三葉子13的葉根分別與螺旋槳軸套22外側固定連接；導板14的葉背分別與第一葉子11的葉梢、第二葉子12的葉梢以及第三葉子13的葉梢固定連接；

2）第一葉子的剖面、第二葉子的剖面、第三葉子的剖面以及導板的剖面均為機翼型剖面；

3）第一葉子與船體中縱剖面的夾角為β1，其范圍為70～75°，第二葉子與船體中縱剖面的夾角為β2，其范圍為20～30°，第三葉子與船體中縱剖面的夾角為β3，其范圍為70～75°；

4）從葉根往葉梢的方向看，第一葉子的葉面在螺旋槳軸套上的投影與螺旋槳軸套的軸線的夾角為第一葉子的葉面沿軸線逆時針旋轉α1，其范圍為12～17°；第二葉子的葉面在螺旋槳軸套上的投影與螺旋槳軸套的軸線的夾角為第二葉子的葉面沿軸線逆時針旋轉α2，其范圍為10～15°；第三葉子的葉面在螺旋槳軸套上的投影與螺旋槳軸套的軸線的夾角為第三葉子的葉面沿軸線逆時針旋轉α3，其范圍為 14～18°；

5）第一葉子11的厚度比、第二葉子12的厚度比以及第三葉子13的厚度比均為10，導板14的厚度比為7（見圖3）；

6）葉子的長度也要在一定的范圍內才能保證良好的節能效果，葉子的外梢端要在90%R-105%R的范圍內，其中R為螺旋槳半徑。

圖1 預旋三角導管布置

圖2 船體、槳和預旋三角導管布置

圖3 翼型

1.2 工作原理

采用槳前預旋原理和加速螺旋槳上部進流，使螺旋槳盤面進流更加均勻，重點在于降低螺旋槳尾流場因旋轉而損失的能量，提高螺旋槳推進效率及減少因尾部流動分離而附加的形狀阻力。

2 數學模型

2.1 控制方程與湍流模式

不可壓縮黏性流體的連續性方程和RANS方程可寫成如下形式：

由于方程（1）、（2）不是封閉的，因此需要尋求補充關系-湍流模型，使問題封閉，采用SSTk-ω湍流模式進行數值計算。SSTk-ω湍流模型在處理近壁處流動時采用標準k-ω湍流模型；在處理邊界層邊緣和自由剪切層時，采用k-ω湍流模型，更適合于對流減壓區的計算，并且方程還考慮了流動的正交發散項，從而使方程在近壁面處和遠壁面處都適合。

式（1）～式（4）中各參數的選取，可參考文獻[6]、[7]。

2.2 建立模型

采用設計槳進行數值模擬，在德國漢堡水池敞水試驗的參數見表1。

表1 螺旋槳的幾何參數

對不同布局的預旋三角導管進行了數值模擬，其分布角度見表2（布局一為不帶預旋三角導管的一種布局）。

表2 預旋三角導管布局分布

第一葉子、第二葉子和第三葉子以及α1、α2、α3、β1、β2、β3的意義可參考“節能裝置幾何模型”部分。預旋三角導管的三維示意圖見圖4。

船體線型是由上海船舶研究設計院優化設計的，在德國漢堡的拖曳水池做了阻力和自航試驗。其主尺度見表3。舵是實際尺寸按照比例（324/7.593）縮放，在SHIPFLOW軟件中進行建模計算。

表3 船型的主尺度和幾何參數

圖4 預旋三角導管

2.3 計算區域與邊界條件

對于船模阻力和自航試驗，船模采用自由模，計算區域為半個圓柱，進行整船計算，縱向從船艏向前延伸0.5個船長，從船艉向后延伸1個船長；橫向從中縱剖面向兩側各延伸2.5個船長；垂向從靜水面向下延伸2.5個船長（見圖5）。

控制方程使用有限體積法離散，其中對流項采用二階迎風差分格式。入口邊界采用速度入口；出口邊界采用自由出流；船體表面為滑移壁面[6,7]。

圖5 船體區域劃分

2.4 網格數

采用全結構化網格，網格的拓撲關系為：橫向為O型網格，縱向為H型網格。船模阻力和自航試驗的數值模擬，總網格數約410萬（見圖6）。

圖6 船體、舵、槳和導管區域的網格形式

3 計算結果分析

運用SHIPFLOW軟件分別對帶5種不同布局預旋三角導管的船模進行阻力和自航數值模擬計算，從模擬結果中分析得到水動力性能較好的預旋三角導管(布局四)，然后在德國漢堡水池進行不帶預旋三角導管的船模（布局一）和帶水動力性能較好的預旋三角導管（布局四）船模進行對比試驗。

3.1 不同布局的預旋三角導管對船模阻力的影響

對船模帶不同布局預旋三角導管的流場進行數值模擬，湍流模型采用SSTk-ω，每種布局的預旋三角導管模擬一個速度（設計航速）點，弗勞德數Fr是0.1396，雷諾數Re是8.228×106。表4為帶不同布局預旋三角導管船模數值模擬計算的總阻力系數值及試驗結果。

表4 帶不同布局預旋三角導管的船模總阻力系數模擬結果及試驗結果

1）帶預旋三角導管（布局二、三、四、五）的船模總阻力系數比不帶預旋三角導管（布局一）的船模總阻力系數要大；

2）帶有預旋角度的三角導管（布局四和五）船模總阻力系數比無預旋角度的三角導管（布局三）船模總阻力系數大；

3）不同的葉子預旋角度α1、α2、α3（布局四和布局五比較）對總阻力系數有一定的影響；

4）葉子布置角度β2的大小（布局二和布局三比較）對總阻力系數也有一定的影響。

出現上面現象的原因分析：

(1) 數值模擬存在一定的偏差，節能導管作為小的附體在數值模擬時存在離散誤差；

(2) 三角導管中的葉子帶有預旋，改變了水流的流向，有一定的附加阻力，但葉子的預旋角度大小不同對水流的阻礙效果也不一樣；

(3) 葉子布置角度β2=28°，可能是水流動耗能較少的角度，對水流的阻礙較小，因此其也有最佳角度。

在德國漢堡水池對裸船體（沒有預旋三角導管，即布局一）和帶節能預旋三角導管（布局四）的船模進行了阻力和自航試驗。數值模擬結果與試驗值比較，布局一的船模總阻力系數偏差2%，布局四的船模總阻力系數偏差5%，能滿足應用要求。

數值模擬和試驗結果有偏差的原因分析：

1）湍流模型都是SSTk-ω，并不能完全模擬真實的湍流；

2）邊界條件：入口湍流特征量的給定是基于經驗公式，未能保證與試驗一致；出口邊界條件使用自由出流，也未能保證與試驗一致；

3）船體由網格來離散，目前的網格數量還不能完全保證離散后的船體和真實的船體完全一致；

4）預旋三角導管作為一個小的節能附體，在網格劃分和與船體網格嵌套上可能存在影響計算精度的因素。

3.2 不同布局的預旋三角導管對船模自航的影響

對于船模自航數值模擬，SHIPFLOW軟件是基于純粹自航法進行數值模擬的，即根據船模速度Vm時的強制力FD值，事先在船模上予以扣除，使得拖曳力Z等于強制力FD，然后調節螺旋槳的轉速，使其發出的推力恰能克服阻力(Rm-FD)，保持船模速度和拖車的速度Vm相等。

船模自航數值模擬的區域和網格劃分，邊界條件的設定和湍流模式的選擇和阻力模擬的一致，額外加入了螺旋槳敞水特征數值和螺旋槳的轉速及轉向，模擬真實的螺旋槳運動。模擬了一個速度點（設計航速）的自航，弗勞德數Fr為0.1396，換算到實船的航速為15.5kn，自航模擬的結果和試驗結果見圖7。

圖7 帶不同布局預旋三角導管的自航因子模擬結果及試驗結果

1）帶預旋三角導管（布局二、三、四、五）的船模伴流分數比不帶預旋三角導管(布局一)船模的伴流分數有大幅度提高；

2）帶有預旋角度的三角導管（布局四和五）船模伴流分數比無預旋角度的三角導管（布局三）船模伴流分數大；

3）不同的葉子預旋角度α1、α2、α3（布局四和布局五）對伴流分數有一定的影響；

4）葉子布置角度β2的大小（布局二和布局三對比）對伴流分數也有影響；

5）帶預旋三角導管（布局二、三、四、五）的船模推力減額比不帶預旋三角導管（布局一）船模的推力減額增大；

6）帶預旋三角導管（布局二、三、四、五）的船模相對旋轉效率比不帶預旋三角導管（布局一）船模的相對旋轉效率也有一定的變化。

出現上面現象的原因分析：

(1) 預旋三角導管集中和加速了螺旋槳上部進流，使螺旋槳盤面進流更加均勻；

(2) 預旋三角導管帶有預旋角度，使得流經導管的水流有旋轉效果，降低了螺旋槳尾流場因旋轉而損失的能量；

(3) 葉子預旋角度大小影響水流流出導管的方向，存在和螺旋槳旋轉配合的最佳方向角；

(4) 第二片葉子把流入導管的水流分成兩個部分，水流量的比例也會影響螺旋槳的效率；

(5) 導管對推力減額和相對旋轉效率的影響比較復雜，和船、槳、導管的相互作用關系密切，需進一步研究和探討。

4 總體分析

利用SHIPFLOW軟件數值模擬了某船的快速性試驗以及節能附體、槳、舵和船體相互干擾的情況，計算其自航因子和效率，優選出水動力性能較好的節能裝置，與試驗進行比較，驗證了整個模擬過成及方法的可行性。總體分析各數值模擬的結果和試驗結果如下：

4.1 阻力數值模擬

(1) 帶預旋三角導管的船模總阻力系數比不帶預旋三角導管的船模總阻力系數要大；

(2) 帶有預旋角度的三角導管船模總阻力系數比無預旋角度的三角導管船模總阻力系數大；

(3) 不同的葉子預旋角度α1、α2、α3和葉子布置角度β2對總阻力系數有一定的影響。

4.2 自航數值模擬

(1) 帶預旋三角導管的船模伴流分數比不帶預旋三角導管船模的伴流分數有較大提高；

(2) 帶有預旋角度的三角導管船模伴流分數比無預旋角度的三角導管船模伴流分數大；

(3) 不同的葉子預旋角度α1、α2、α3和葉子布置角度β2對伴流分數有影響；

(4) 帶預旋三角導管的船模推力減額比不帶預旋三角導管船模的推力減額增大；

(5) 帶預旋三角導管的船模相對旋轉效率與不帶預旋三角導管船模的相對旋轉效率相比有變化。

4.3 數值模擬和試驗比較

(1) 阻力方面：布局一的船模總阻力系數偏差為2%，布局四的船模總阻力系數偏差為5%；

(2) 自航方面：數值結果與試驗結果比較有偏差，數值模擬結果可作為定性分析的依據。

5 結 語

從上面的分析可知，阻力計算結果精度基本能達到工程應用的要求，自航計算結果的精度尚未完全達到工程應用的要求，有待于進一步提高，自航數值模擬的整個思路可以給線型設計和螺旋槳設計提供參考。

[1] 張越峰. 船用水動力節能裝置分析[J]. 上海造船，2010, (2): 7-13.

[2] Jie Dang, Hao Chen, Guoxiang Dong. An Exploratory Study on the working Principles of Energy Saving Devices (ESDa) [A].Symposium on Green Ship Technology [C]. Wuxi, China, 2011.

[3] 錢文豪，范佘明. 水動力附加節能裝置在內河船上的應用[A]. 全國內河船學術研討會論文集[C]. 1995.

[4] 王 超，黃 勝，常 欣，鄭建成. 螺旋槳轂帽鰭水動力性能數值分析[J]. 船海工程，2009，6(38).

[5] 楊仁友，沈泓萃，姚惠之. 帶前置導葉槳潛艇自航試驗的數值模擬與自航因子預報[J]. 船舶力學，2005，9(2).

[6] 程宣愷，周志勇，等. 船模自航試驗數值模擬研究[J]. 船舶與海洋工程，2013, (3): 10-15.

[7] 王福軍. 計算流體動力學分析-CFD軟件原理與應用[M]. 船舶力學，2005，9(2).