近岸環境下船舶側推器的水動力性能數值分析

趙漢星,王化明, 鄔賓杰, 包輝陽

(1.浙江省海運集團舟山五洲船舶修造有限公司，浙江 舟山 316000;2.浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院,浙江 舟山 316022)

近岸環境下船舶側推器的水動力性能數值分析

趙漢星1,王化明2, 鄔賓杰2, 包輝陽1

(1.浙江省海運集團舟山五洲船舶修造有限公司，浙江 舟山 316000;2.浙江海洋學院 船舶與海洋工程學院,浙江 舟山 316022)

對船舶在近岸環境下航行時側推器的水動力性能進行數值模擬研究。建立艏艉側推器與船體的整體模型，利用基于RANS方程求解的粘性流數值方法，采用MRF模型，計算不同航速下艏艉側推器的性能參數、側推器附近流場，以及船舶在近岸航行時的橫向力與艏搖力矩。結果表明，近岸航行時側推器的實際效能會因船速的變化而變化，船速的不斷增加會使船舶與岸壁之間的吸引力超過側推器的推力，從而導致碰撞。

側推器;CFD;水動力;MRF

各種海工供應守護船多裝備有艏艉側推器，此類船舶需經常航行靠泊于港口，在狹窄的航道或碼頭附近的近岸航行中，由于岸壁干擾作用，船舶會偏離原定航向，駛向岸壁。此時艏艉側推器的開啟，能夠在一定程度上減弱岸壁效應對船舶造成的引力影響，但在船舶航速過大，水深不足的情況下，側推器的作用就會大打折扣?，F有的對側推器效能的研究成果多停留在單一的側推器螺旋槳的水動力數值研究或局部的船體流場對側推器效能的影響[1-3]，少見對整船與側推器結合的水動力數值分析研究，對艏艉側推器影響船舶操縱的研究更少。現有的研究方法為側推器性能的數值模擬研究提供了很好的參考，但是并不適用于預報船舶航行時側推器的性能與船舶的運動趨勢。為此，以安裝有艏艉側推器的Wigely船型為研究對象，對側推器的推進性能進行數值模擬研究，同時考慮整船流場對側推器效能的影響，利用粘性理論，采用MRF模型，研究裝備有艏艉側推器的船舶在近岸航行時的航行狀態與側推器的水動力性能。

1 問題描述及數值方法

1.1 問題描述

船體模型主要參數：垂線間長為2.25 m，型寬為0.54 m，吃水為0.25 m。

側推器模型選用KT-88B3型艏艉側推器，其模型主要參數：槳葉模型直徑為50 mm，4葉，螺旋槳轉速100 rad/s，輸入軸旋轉方向從原動機方向看為順時針方向旋轉，安裝于位于0.15倍船長與0.75倍船長的船體處，安裝有艏艉側推器。

限制水域為垂直型岸壁，見圖1。水深吃水比h/T取2，船舶重心距離岸壁為1.0B，船模共計13種航速，0.2～2 m/s[4]，方向為-x軸方向(x軸垂直紙面向內)，螺旋槳轉速100 rad/s。

圖1 岸壁工況

1.2 控制方程與湍流模型

假定所研究對象流體為不可壓縮流體，則該流體流場的連續方程與動量方程如下。

(1)

(2)

式中：ui,uj──3個維度方向上的速度分量，i，j=1，2，3；

xi,xj——3個維度方向上的坐標分量，i，j=1，2，3；

p——壓力；

ρ——流體密度；

ν——運動粘性系數；

t——時間。

由于RNGk-ε模型對瞬變流與流線彎曲的影響比較敏感，對船體非定常受力計算有較好的收斂性和與精度，故采用RNGk-ε模型進行計算。

2 網格劃分及邊界條件

2.1 幾何模型與計算域

側推器螺旋槳模型采用Solidwork建立，導入ICEM后進行整船模型建立，見圖2、3。

來流區與尾流區分別取1倍船長與2倍船長，船側靠近于遠離岸壁一側分別取0.5倍型寬與1倍船長，船底距離水底深度取1倍吃水。

圖2 側推器幾何模型

圖3 Wigley船體與側推器整體幾何模型

2.2 網格劃分

側推器內部采用了混合網格劃分策略，螺旋槳軸向左右分別延伸1.5倍螺旋槳直徑的側推器隧道管壁內部，采用非結構網格劃分，在側推器隧道管壁內部靠近船側表面的部分，則采用結構化網格。圖4為螺旋槳附近非結構體網格截面圖，在隧道管壁與螺旋槳近壁處設置了邊界層，這樣使得螺旋槳水動力的性能的計算能達到更好的精度。艏艉側推器內部共有非結構體網格數289萬。船體外流場域全部采用結構化網格，包括側推器靠近船側部分，見圖5，共有六面體結構化網格190萬。

這樣的混合網格劃分策略，有利于在數值模擬中采用MRF(Moving Reference Frame)模型，即多重參考模型進行計算，控制計算量，提高計算效率與計算結果精度。

圖4 螺旋槳周圍體網格

圖5 流場域結構化網格

2.3 邊界條件

水的入口設置為速度入口，流速設置為從0.2～2.0 m/s，間隔0.1 m/s共13種流速；水的出口設置為出流條件；計算域的上表面與船右舷側面設置為對稱面條件；船體左舷側面與計算域底面設置為滑移壁面，速度取航速等值，船體表面設置為無滑移的固壁面條件。見圖6。

圖6 計劃域及邊界條件

3 計算結果與分析

3.1 航速對側推器螺旋槳的影響

表現螺旋槳性能的幾個重要參數分別為螺旋槳推力系數kt，轉矩系數kq，其表達式如下。

(3)

式中:T——槳產生的推力；

Q——槳的轉矩；

ρ——水的密度；

n——槳轉速；

D——槳的直徑。

在側推器轉速保持在100 rad/s時，不同航速下的艏艉側推各推力、轉矩系數變化見圖7。

圖7 各航速下艏艉側推螺旋槳推力、轉矩系數變化

由圖7可見，艏艉側推槳的推力系數與轉矩系數隨著航速的增加而增加，在0.2～2.0 m/s的航速之間，艏側推槳的推力系數與轉矩系數均高于艉側推槳。當航速達到1.2 m/s時，艏側推槳的推力系數與轉矩系數開始低于艉側推槳的系數，并趨于平穩。

3.2 近岸航行時側推器對船體的水動力作用

首先對側推器在不運轉的工況下進行數值計算，得到12種航速下船體因壓差而受到的橫向力FF(向岸壁方向為負)與艏搖力矩M，并進行量綱一的綱化，得到量綱一的綱化的橫向力系數與艏搖力矩系數CF與CM[5]：

(4)

式中：ρ——水的密度；

V——航速；

L——船長；

T——吃水；

FF——船身受到的橫向力。

在艏艉側推器同時運轉時，計算13種航速的不同工況，得到側推器運轉工況下的船身橫向受力壓差FF，船體自身艏搖力矩MS，結合側推器的推力極其作用于船身的力矩，同樣進行無量綱化，得到

(5)

(6)

式中：FF——船身受到的橫向力；

F1、F2——艏、艉側推器推力；

MS——船體自身艏搖力矩；

M1、M2——艏、艉側推器工作時作用于船體的力矩。

圖8與圖9給出了艏艉側推器關閉與開啟時，船舶在0.20～2.0 m/s航速下的橫向力與艏搖力矩變化。

圖8 側推器關閉與開啟狀態下航速對橫向力的影響

圖9 側推器關閉與開啟狀態下航速對艏搖力矩的影響

可以看出，側推器不工作時，隨著速度的增加，橫向力系數保持在一個穩定的數值范圍，船舶受到非常明顯的岸壁吸引力。

當速度達到1.40 m/s左右，船舶的艏搖狀態從船艏傾向岸壁狀態轉變為船艉傾向岸壁，并保持著較為明顯的增強趨勢。

由圖8可見，航速在0.70 m/s以下，艏艉側推器開啟后所提供的推力有效地抵消了岸壁對船舶的吸引。隨著船速的進一步增加，船舶仍會被岸壁所吸引，做靠岸運動。

分析圖9，在0.70 m/s以下的航速，即側推器提供推力大于岸壁對船只吸引力的航速范圍內，船舶的艏搖方向在航速大約為0.60 m/s時會發生改變，從船艏傾向岸壁轉變為船艉傾向岸壁；航速增加到0.70 m/s以上，側推器失效，船舶受岸壁吸引，艏搖現象非常明顯。

3.3 壓力場分析

圖10～12給出了0.20、0.70、2.00 m/s 3種航速下，Z=0.02界面處，艏側推器通道附近壓力云圖。

圖10 V=0.20 m/s，z=0.02界面艏側推附近壓力

圖11 V=0.70 m/s，z=0.02界面艏側推附近壓力

圖12 V=2.00 m/s，z=0.02界面艏側推附近壓力

可以看出，航速較小時，船側流場對側推器入流端與出流端的影響較小，在側推器的入流端附近，會產生分部較為均勻的低壓區；隨著航速的增加，船側來流沖擊側推器的入流端，使側推器螺旋槳獲得了與普通螺旋槳類似的來流進速，這是側推器螺旋槳的推力與轉矩隨著航速增大而增加的一個主要原因；當航速增大到一定程度時，沿船側船長方向的兩側來流對側推器隧道內部流場作用形成了明顯的負壓場，側推器出流被明顯抑制，側推器此時產生的推力，已明顯小于岸壁對船體的吸引力，船體將向岸壁靠近。

4 結論

1)隨著航速的增加，側推器螺旋槳的推力系數和轉矩系數均有明顯的上升。在低航速條件下，艏側推螺旋槳的推力系數與轉矩系數略高于艉側推螺旋槳，隨著航速進一步增大，艉側推器螺旋槳的推力系數與轉矩系數開始高于艏側推器螺旋槳。

2)低航速條件下的近岸航行，側推器的開啟能有效地避免船舶與岸壁的碰撞。隨著航速的增加，側推器的效能會明顯減弱。

3)艏艉側推器轉速保持一致，并且船舶處于較低航速時，側推器雖能有效抵抗岸壁對船舶的吸引力，但仍然可能會發生船艏向岸壁靠近的現象。

4)側推器入流端與出流端受來流的影響，會產生比較明顯的渦流，干擾側推器隧道內部流場，從而會在一定程度上影響側推器的推進效率。

[1] 閆長健.艏艉側推器操縱效能仿真研究[D].大連：大連海事大學,2008.

[2] 陳偉民,倪士龍.全方位推進器與首側推器綜合作用對船舶操縱性能的影響[J].上海船舶運輸科學研究所學報,2005(1):11-14.

[3] 崔冬權.軸隧式側推器推力計算及總布置的初步探討[J].江蘇船舶,2012(4):17-18+23.

[4] 徐周華.船舶首側推器適用的船速域[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2002(1):116-119.

[5] 姚建喜,鄒早建.船舶近岸航行岸壁效應數值研究[J].武漢理工大學學報：交通科學與工程版,2011(3):435-438.

Numerical Study on Hydrodynamic Performance of Side Thrusters near Bank

ZHAO Han-xing1, WANG Hua-ming2, WU Bin-jie2, BAO Hui-yang1

(1 Zhoushan Wuzhou Ship Repairing & Building Co., Ltd., Zhoushan, Zhejiang, 316000, China;2 School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Zhejiang Ocean University, Zhoushan Zhejiang 316022, China)

The hydrodynamics performance of side thrusters of ship sailing near-bank is studied numerically. The integrated model of side thrusters and hull is established, and MRF mode is adopted. The flow field near the thrusters and the hydrodynamic lateral forces and yaw moments on the ship nearing the bank are calculated for different speeds, and then performance parameters of the bow and astern thrusters are obtained. The results show that the actual performance of side thrusters under near-bank sailing varies with ship's speed, and the attractive force between ship and bank may exceed the thrust with the increase of the speed, which may lead to collision.

side thrusters; CFD; hydrodynamics performance; MRF

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.016

2014-08-25

國家自然科學基金(51109186); 國家星火計劃項目(2013GA700256); 舟山市科技計劃項目(2013C11004)

趙漢星(1956-)，男，學士，高級工程師

U661.3

A

1671-7953(2015)01-0064-05

修回日期：2014-09-26

研究方向:船舶設計與制造

E-mail:zhaohanxing@126.com