推力鰭對吊艙推進器水動力性能的影響

汪小翔

(中國特種飛行器研究所 高速水動力航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035)

推力鰭對吊艙推進器水動力性能的影響

汪小翔

(中國特種飛行器研究所 高速水動力航空科技重點實驗室，湖北 荊門 448035)

考慮利用螺旋槳旋轉尾流能量以及提高航向穩定性，提出一種帶推力鰭的吊艙推進器，采用CFD方法計算其不同進速下的推力系數、轉矩系數以及側向力，并與常規吊艙推進器水動力性能進行了比較。結果表明，加推力鰭后推進效率最大提高達1.6%，航向穩定性也明顯改善，鰭的存在有效分割了螺旋槳旋轉尾流，引起誘導速度及艙體壓力的變化。

吊艙推進器；敞水性能；推力鰭;尾流

吊艙推進器的概念[1]首先由芬蘭的Kvaerner Masa-Yard和ABB公司提出，其最明顯的突破就是改變了常規的螺旋槳經過電機長軸系的帶動方式，螺旋槳直接和置于吊艙體中的驅動電機相連，懸掛在船體底部的整個模塊可以靈活的實現全方位的轉動，省去了較長的軸系裝置以及傳統的操舵設備，使得船舶的操縱性以及機動能力得到大幅度提高。圖1為ABB公司生產的最具市場占有率的Azi吊艙推進器。

圖1 Azi吊艙推進器

關于吊艙推進器水動力性能的研究，理論方法主要包括基于勢流理論的升力面法和面元法,以及基于粘性流的計算方法;試驗方面已經開發出了各自的試驗平臺，形成了較為成熟的數值模擬方法和試驗程序。而國內方面，郭春雨等[2]應用混合面模型計算了吊艙推進器的定常水動力性能，楊晨俊等[3]采用面元法，對螺旋槳與吊艙的相互影響進行了時間平均及迭代處理，通過計算分析吊艙對槳葉載荷分布的影響。

利用CATIA與FORTRAN聯合建立某吊艙推進器的數值模型，采用CFD軟件對其敞水性能進行數值模擬，驗證計算方法的可靠性。在此基礎上，于艙體兩側加裝推力鰭，計算其敞水性能并與普通吊艙推進器進行對比，對其各部分的壓力分布、側向力大小、流場特性進行分析，探討推力鰭對吊艙推進器水動力性能的影響。

1 控制方程與湍流模型

1.1 控制方程

三維不可壓流動連續性和動量方程[4]為

(1)

(2)

1.2 湍流模型的選取

湍流模型使用重組化群k-ε模型[4]，模型中的常數與標準k-ε不同，而且方程中也出現了新的函數或項，所得的湍動能和耗散率方程與標準k-ε模型相似，為

(3)

(4)

與標準k-ε模型相比，RNGk-ε模型的改進之處在于：①通過修正湍流粘度，考慮了平均流動中的旋轉及旋流流動情況；②在ε方程中增加了一項用以反映主流的時均應變率Eij。這樣，RNGk-ε模型中產生項不僅與流動情況有關，而且在同一問題中也還是空間坐標的函數。

2 多參考系模型

由于涉及到螺旋槳與支架之間的相對運動，采用多參考系(MRF)模型[5]來實現螺旋槳的轉動。它是一種定常計算模型，相當于旋轉速度區域的一個穩態近似。模型中假定網格單元做勻速運動，這種方法適用于網格區域邊界上各點的相對運動基本相同的問題。模型運動網格區域與靜止網格區域間的數據傳遞見圖2。

圖2 數據傳遞示意

3 計算的前處理

3.1 幾何模型與計算域的創建

建立普通吊艙推進器模型，吊艙推進器的艙體為橢球形，其支架截面形狀為橢圓形，吊艙及螺旋槳主要參數[6]見表1。

表1 吊艙主要幾何參數

表2 螺旋槳主要參數

計算模型是在直角坐標系下建立的，如圖3所示，坐標原點位于吊艙槳盤面中心處，X軸正方向與水流流入方向一致，X軸即螺旋槳的旋轉軸，Y軸正向沿吊艙推進器支架的母線指向艙體外部，Z軸與XY平面垂直，滿足右手系法則，螺旋槳右旋(從吊艙向前看順時針方向為右)。在原有模型艙體兩側加裝推力鰭，截面翼型為NACA0016，弦長為0.09 m，展弦比為0.56，推力鰭前緣點位于X=0.05 m截面上。

圖3 吊艙推進器數值模型

3.2 網格的劃分

為了合理地生成網格[7]，在保證計算準確性的同時節約計算資源，將整個計算域分為3部分，每個部分形狀都是與螺旋槳同軸的圓柱體，采用混合網格生成方法，將螺旋槳和槳轂置于一個比槳直徑稍大的圓柱形控制域內，對其進行非結構網格劃分，特別是流動的關鍵部位如槳葉導邊隨邊進行加密細化處理，對于不包含支架及艙體的流場外域進行結構網格劃分，整體網格從域首到域尾平滑過渡，整個計算域網格數為170萬，其中非結構化網格數100萬。見圖4、5。

圖4 螺旋槳槳葉表面的網格劃分

圖5 吊艙表面網格

3.3 邊界條件及求解設置

計算域進口邊界設定為速度入口；出口邊界設置為壓力出口；在外邊界同樣設置速度入口，槳葉槳轂吊艙支架均為無滑移固壁[8]條件。

壓力-速度耦合求解方式選擇SIMPLEC[9]方法，壓力修正方程、動量方程、湍動能方程和耗散率方程的空間差分離散格式選擇二階迎風[10]，殘差設置為10-7，計算步數為4 000步，結果顯示收斂較好，滿足精度要求。

4 計算結果分析

4.1 普通吊艙推進器計算值及與試驗值的對比

通過改變來流大小實現進速系數的變化，螺旋槳轉速固定為1 200 r/min，計算了螺旋槳在不同工況下的推力系數，轉矩系數，并與實驗值[11]進行了比較。

表3 推力系數與轉矩系數的實驗值與數值計算結果比較

由表3可見，在所計算工況范圍內，推力系數比試驗值偏小，最大誤差為-4.8%，轉矩系數比試驗值偏大，最大誤差不超過4%。整體來看，轉矩系數與試驗值更接近，二者誤差均在較小范圍以內，能夠達到工程實際應用的精度要求，也說明了本文計算方法的正確性，為后續帶推力鰭干擾計算提供了依據。

5 帶鰭吊艙推進器水動力性能分析

5.1 推力系數，轉矩系數及敞水效率的對比

在上述普通吊艙推進器水動力性能計算的基礎上，對帶推力鰭吊艙推進器進行數值模擬，計算過程基本與普通吊艙推進器一致，考慮帶鰭整體推力系數，即：

(5)

式中，Tp——螺旋槳產生推力；Th——槳榖產生推力；Ts——支架產生推力；Tt——鰭產生推力；Tpo——橢圓形吊艙產生的推力。轉矩系數仍由螺旋槳轉矩得出：

(6)

圖6 普通吊艙推進器與帶鰭吊艙推進器的推力系數比較

圖7 普通吊艙推進器與帶鰭吊艙推進器的扭矩系數比較

由圖6、7可見，在不同的進速系數下，加裝推力鰭后，吊艙推進器的推力系數與轉矩系數均有了一定的提高，推力系數最大增幅達3.1%。隨著進速的增大，轉矩系數增大越多，轉矩系數最大增幅達3.8%,吊艙推進器節能效果如下式計算所得。

式中：η2——加裝推力鰭之后的吊艙推進器的推進效率；

η1——普通吊艙推進器推進效率；節能效果見表4。

表4 推力鰭節能效果

由表4可見，在所計算的進速系數范圍內，推力鰭的節能效果隨著進速系數的增大加減小，在進速為0.9時，出現了負增長，整體來看，加裝推力鰭之后推力的增幅相比轉矩增幅要大，所以吊艙推進器整體推進效率提高。

5.2 側向力的對比

吊艙模塊一般單獨安裝在船底，如果所受側向力過大，對船舶的航向穩定性會造成較大的影響，因此對吊艙推進器所受側向力即Z軸方向的力進行分析，結果見表5。其中：Tz1為普通吊艙推進器總側向力;Tz2為帶鰭吊艙推進器總側向力。

表5 吊艙推進器所受側向力對比

圖8 普通吊艙推進器各部分所受側向力

圖9 帶鰭吊艙推進器各部分所受側向力

由圖8、9可見，吊艙推進器所受側向力主要由緣自架及艙體，其余部分對側向力貢獻較小，普通吊艙推進器側向力均為負值，即指向支架背流面外法線一側，其隨著進速的增大而增大。加裝推力鰭后，吊艙推進器側向力明顯改變，由低進速下的正值過渡到高進速下的負值，且進速為0.5時支架產生側向力所占比重最大。隨著進速增加,支架與艙體產生側向力相當，計算的進速系數范圍內推力鰭產生側向力幾乎可以忽略不計。整體來看，帶推力鰭吊艙推進器所受側向力小于普通吊艙推進器，特別是高進速系數下最為明顯，說明推力鰭能有效改善船舶航向穩定性。

5.3 吊艙體壓力云圖分布情況

由于在高進速下側向力改變最為顯著，取進速為0.9這一工況進行分析。見圖10、11。

圖10 支架及艙體迎流面壓力云圖

圖11 支架及艙體背流面壓力云圖

由圖10、11可見，加裝推力鰭之后吊艙及支架整體所受壓力明顯減小，特別是位于支架前端的最高應力區域，普通吊艙推進器最高壓力區出現在支架前端偏迎流面一側，帶推力鰭吊艙推進器最高壓力區雖然也在支架前端，但基本處于支架正前方部位，同時在靠近支架尾部區域及鰭的上方出現了二個低壓區。再看背流面，加裝推力鰭之后，除了在支架前端產生了一個低壓區外，其余部分壓力梯度變化較小。整體而言，鰭的存在有效地分割了螺旋槳的旋轉尾流，使其旋轉效果減弱，支架及艙體兩側壓力分布變得相對均勻，使得側向力有效降低。

5.4 推力鰭前緣點所在截面誘導速度分布

在進速系數為0.5時，對吊艙推進器和帶推力鰭吊艙推進器在X=0.05(推力鰭前緣點)截面處誘導速度進行對比分析。見圖12、13。

圖12 X=0.05 m位置處軸向速度分布

圖13 X=0.05 m位置處徑向速度分布

軸向誘導速度均為正值，速度等值線相對X軸中心對稱，變化趨勢均為由艙體向外先增加后減小。推力鰭的存在分割了原本連續的速度等值線，使Z軸正向一側推力鰭上方誘導速度增大，下方誘導速度變小，另一側推力鰭上下的誘導速度變化與Z軸正向正好相反。

徑向誘導速度即為指向艙體半徑方向的誘導速度，由圖12、13可見，加鰭后速度等值線的形狀和大小都改變較小，分布趨勢基本相同，均以X軸為中心成周期變化。

圖14 X=0.05 m位置處切向速度分布

兩者切向誘導速度在靠近艙體表面均為正值，向外逐漸減小(見圖14)，到半徑為0.6R左右時變為負值，再隨著半徑增大誘導速度也增大。在推力鰭上下表面附近切向誘導速度明顯小于普通吊艙推進器，這與壓力分析中推力鰭有效地減緩了螺旋槳的旋轉尾流也相符。

整體而言，加裝推力鰭對軸向誘導速度影響最大，切向誘導速度次之，對徑向誘導速度影響最小。

5 結論

1)普通吊艙推進器在所計算的5個工況條件下，推力系數與轉矩系數誤差均在較小范圍以內，能夠達到工程實際應用的精度要求，說明了本文計算方法的正確性與可靠性。

2)在不同的進速系數下，加裝推力鰭后，吊艙推進器的推力系數與轉矩系數均有了一定的提高，但加裝推力鰭之后推力的增幅相比轉矩增幅要大，所以吊艙推進器整體推進效率提高，最大達1.6%，但隨著進速的增加推進效率增加量越少。

3)吊艙推進器側向力主要由艙體和支架產生，整體而言推力鰭的存在能明顯減小吊艙推進器所受側向力，特別是高進速系數下最為顯著，說明推力鰭能有效改善船舶航向穩定性。

4)加裝推力鰭后吊艙及支架整體所受壓力明顯減小，鰭的存在有效分割了螺旋槳旋轉尾流，使其旋轉效果減弱，支架及艙體兩側壓力分布變得相對均勻。

5)安裝推力鰭對吊艙推進器軸向誘導速度影響最大，對徑向誘導速度影響最小，速度的變化與艙體支架壓力變化對應，根據鰭對吊艙推進器周圍流場的影響，可改變推力鰭的安裝角及其在艙體上的相對位置，進一步優化其水動力性能。

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Influence of Thrust Fins on Hydrodynamic Performance of Podded Propulsor

WANG Xiao-xiang

(AVIC Special Vehicle Research Institute, Key Aviation Scientific and Technological Laboratory of High-speed Hydrodynamic, Jingmen Hubei 448035, China)

In order to make use of the wake energy and improve the course stability, a kind of podded propulsor with thrust fins is put forward. The thrust coefficient, torque coefficient and lateral force as a function of advance coefficient are calculated by CFD. The results compared to the ordinary podded propulsor show that the open water efficiency increases 1.6 percent maximally，the course stability is also improved evidently; the wake is segmented by the thins, leading to the change of induced velocity and pressure of pod.

podded propulsor; open water efficiency; thrust fins; wake

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.06.037

2015-09-09

汪小翔(1989-)，男，碩士，工程師

U664.3

A

1671-7953(2015)06-0158-06

修回日期：2015-09-30

研究方向:高速航行體水動性能

E-mail: 478537964@qq.com