氣層對肥大型船后螺旋槳的影響研究

吳　浩　葉　青　歐勇鵬

(海軍工程大學艦船工程系　武漢　430033)

氣層對肥大型船后螺旋槳的影響研究

吳浩葉青歐勇鵬

(海軍工程大學艦船工程系武漢430033)

摘要：基于RANS方程和VOF兩相流模型，建立了載重量95 000 t散貨船模型敞水槳，以及氣層作用下船后槳的水動力性能計算方法；分析了噴氣與不噴氣情況下螺旋槳推力、轉矩，以及槳盤面處的流場，研究了噴氣對螺旋槳性能的影響規律.結果表明，噴氣使得船后槳盤面處軸向平均速度增大，平均伴流減小；對本文設計的氣層減阻方案而言，氣體并未進入螺旋槳工作區；在相同速度和螺旋槳轉速下，噴氣使得船后螺旋槳的推力和轉矩均減小.

關鍵詞：氣層；螺旋槳；平均伴流；推力；轉矩

0引言

船底氣層的存在對船后的螺旋槳的影響程度如何，關系到氣層減阻技術在工程應用中的可行性.若能獲得阻力大幅降低且螺旋槳性能變化不大的船舶氣層減阻技術，將會對我國的航運事業節能減排做出重大的貢獻.

Kodama等[1-2]在一艘海員訓練船上開展氣層減阻實船測試沒有獲得有效的節能效果，氣體進入螺旋槳工作區是其中的主要原因之一.Hoang等[3]在結合邊界層積分方程及經驗公式計算噴氣對船舶阻力的影響時發現：邊界層的發展情況因噴氣而被改變，從而導致螺旋槳盤面處的速度分布發生改變，進而影響螺旋槳的效率.Kawabuchi等[4]為了預估三菱重工集團在船舶上安裝氣體潤滑減阻裝的減阻效果，針對模型進行了數值計算.計算表明，氣泡的直徑變化不會影響減阻效果，且氣泡對螺旋槳的影響也可以忽略.Mizokami等[5]在2艘模塊化運輸船舶上安裝了微氣泡氣層潤滑系統，實船測試凈節能效果最大可達12%；隨著氣層厚度增加，節能效果增加；在加裝氣層潤滑系統后，對螺旋槳直徑、螺距等參數進行一定改進后可進一步提高節能效果.

為了研究船底氣層是否會進入螺旋槳工作區，并且氣層的存在是否會影響螺旋槳的推進效率.本文分別對敞水槳和噴氣狀態下船后槳進行數值模擬，觀測氣體是否進入螺旋槳的工作區，并對氣層對螺旋槳推進性能的影響規律進行探索.

1螺旋槳敞水性能

1.1數值計算模型與網格劃分

螺旋槳計算模型的主要參數見表1.

表1　模型螺旋槳主要參數

圖1～2分別給出了螺旋槳表面網格劃分及流場區域邊界條件設置.為提高計算精度，外部流場采用全結構化網格離散，螺旋槳周圍流場采用非結構化網格，兩者之間采用interface過渡.入口定義為速度入口，出口定義靜壓出口，流場邊界定義為無滑移壁面，內部流場區域采用MRF方法繞槳軸旋轉，湍流模型選擇RNG k-ε湍流模型.

圖1　螺旋槳表面網格劃分

圖2　流場區域劃分及邊界條件設置

1.2計算結果分析

圖3給出了螺旋槳敞水性能曲線的計算值與試驗值對比.圖中kt和kq分別為推力系數和轉矩系數；ηo為敞水效率；J為螺旋槳的進速系數，計算公式如下.

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：T為螺旋槳推力；Qb為螺旋槳轉矩；ρ為流體密度；n為螺旋槳的轉速；D為螺旋槳的直徑；Va為螺旋槳的進速.

從圖3可知，計算值與試驗值誤差不大，kt最大誤差為4.46%，kq最大誤差為5.08%，ηo最大誤差為3.8%，計算值與試驗值相差較小，說明計算結果合理可靠.

圖3　螺旋槳敞水性能曲線

2噴氣對槳盤處流場的影響

2.1計算模型

計算模型母型船為一艘載重量95 000 t散貨船，母型基本參數見表2.船底凹槽的設計采用文獻[6]中的方案3.

表2　散貨船模型船體參數

該船為典型的低速肥大船型，具有大平底，長平行中體的特點，且Cb>0.8，0.13

圖4給出了計算流域網格劃分及邊界條件設置.整個流域采用全結構網格離散，入口設定為速度入口，距船體1倍船長，出口為靜壓出口，距船體2倍船長，流場側面距船體1倍船長，均設置為光滑壁面，中縱剖面設置為對稱面.圖5給出了船體表面全結構化網格.根據模型尺寸分別計算船體表面邊界層厚度及第一層網格尺寸，保證在所計算速度范圍內y+值介于30～130之間.湍流模型為RNG k-ε模型，多相流模型選擇VOF多相流模型；控制方程的離散為二階迎風格式，壓力與速度的耦合采用SIMPLEC算法.

圖4　疊模網格方案及邊界設置

圖5　帶凹槽船體表面上的網格劃分

2.2計算結果分析

圖6給出了不同航速和氣流量下螺旋槳盤面處流場速度云圖.

圖7給出了螺旋槳盤面不同半徑處軸向速度沿周向的變化曲線.圖中0°取為縱軸正向.

圖6　不同氣流量下螺旋槳盤面處流場分布

圖7　螺旋槳盤面不同半徑處軸向速度

結合圖6～7可知，與不噴氣時船尾流場相比，噴氣使得船體周圍流場改變，進而使得螺旋槳盤面處軸向平均速度增大，即螺旋槳盤面處的平均伴流減小.

3噴氣對船后螺旋槳的影響

考慮到船后螺旋槳與船體之間的相互影響，對噴氣狀態下的船后螺旋槳性能進行了研究.船體表面興波對螺旋槳盤面處流場影響甚微[9].同時，低速肥大型船底部噴氣對航行姿態的影響也較小.基于以上結論，為提高計算效率，計算中忽略船體表面興波的影響.

3.1計算模型

主船體及周圍流場采用全結構化網格離散，螺旋槳及周圍采用非結構化網格離散，兩者之間采用interface過渡.圖8給出了船首及船尾螺旋槳表面網格的劃分情況，圖9給出了流場網格的劃分和邊界條件的設定情況.

圖8　船艏及船艉表面網格劃分

圖9　流場網格劃分及邊界條件

3.2計算結果分析

圖10給出了不同速度下，氣流量為10 m3/h時螺旋槳表面的氣相分布云圖.由圖10可見，對本文所計算的模型及凹槽開設方案而言，氣體并未進入螺旋槳工作區.圖11給出了強制自航試驗時拍攝的模型底部氣層照片，從試驗拍攝到的模型底部氣層形態照片上也可以驗證這一結論.

圖10　船艉氣相分布

圖11　模型底部氣層形態

表3給出了不同速度下，氣流量為10 m3/h與不噴氣時螺旋槳推力及轉矩的計算值.數值計算時，通過不斷變化螺旋槳轉速，使得螺旋槳推力與模型阻力大小相等時對應的螺旋槳轉速即為模型的自航點.表3中所列轉速即為通過數值計算尋找到的模型不噴氣時的自航點，對應的推力和阻力值相差小于2%.從表3可知，相同航速和螺旋槳轉速下，噴氣時螺旋槳推力和轉矩值較不噴氣時均變小.其原因在于噴氣使得螺旋槳盤面處軸向速度增大，平均伴流減小，相同轉速下螺旋槳進速增大，故kt，kq減小.同時，噴氣時氣體未進入螺旋槳工作區，流體密度ρ不變，因此噴氣時螺旋槳推力及轉矩均減小.

值得注意的是，噴氣時模型總阻力減小，螺旋槳自航點將發生改變，從而推進效率也將發生改變，因此研究噴氣對螺旋槳推進性能的影響需要對螺旋槳在新的自航點處進行分析，這是后續應該深入研究的問題.

表3　噴氣前后螺旋槳推力及轉矩

4結論

本文基于RANS方程和VOF兩相流模型，對螺旋槳敞水性能，噴氣前后船尾流場分布及噴氣前后船后螺旋槳推進性能進行數值模擬.主要結果如下.

1) 噴氣使得螺旋槳盤面處軸向平均速度增大，平均伴流減小.

2) 相同速度和螺旋槳轉速下，噴氣使得螺旋槳推力和轉矩值較不噴氣時減小.

3) 對本文中的船底凹槽方案而言，氣體并未進入螺旋槳工作區.

4) 噴氣使得船舶的阻力減小，螺旋槳自航點將發生改變，因此研究噴氣對螺旋槳推進性能的影響需要對螺旋槳在新的自航點處進行分析.

參 考 文 獻

[1]KODAMA Y, KAKUGAWA A, TAKAHASHI T, et al. A full scale experiment on micro bubbles for skin friction reduction using SEIUN-MARU, part 1 The preparatory study[J]. Journal of the Society of Naval Architects of Japan,2002,192(3)：1-14.

[2]NAGAMATSU T, KODAMA Y. A full-scale experiment on micro-bubbles for skin friction reduction using SEIUN-MARU, part 2 The full-scale experiment[J]. Journal of the Society of Naval Architects of Japan,2002,192(3)：15-28.

[3]HOANG C, YASUYUKI T, YUGO S. A consider on drag reduction by air lubrication using integral type boundary layer computation[J]. The Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers,2011(6):59-65.

[4]KAWABUCHI M, KAWAKITA C, MIZOKAMI S. CFD predictions of bubbly flow around an energy-saving ship with mitsubishi air lubrication system[J]. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review,2011,48:53-57.

[5]MIZOKAMI S. Development and full-scale verification tests of air lubrication system[J]. ClassNK TechnicalBulletin,2012,30：11-21.

[6]吳浩,歐勇鵬.肥大型氣泡船底部凹槽構型設計及優化[J].武漢理工大學學報(交通科學與工程版),2015,39(5)：963-967.

[7]吳瓊,于海,熊小青,等.考慮自由液面的肥大船CFD阻力預報和伴流場模擬[C].七屆更迭 三十回眸：第七屆船舶力學學術委員會全體會議論文集,2010.

[8]歐勇鵬.氣泡船粘性流場分析及大型船舶氣層減阻方案優化設計[D].武漢：海軍工程大學,2012.

[9]王展智.主船體-附體-螺旋槳相互干擾的CFD研究[D].武漢：海軍工程大學,2010.

Study on the Influence of Air Layer to the Propeller of a Full Formed Ship

WU HaoYE QingOU Yongpeng

(NavalEngineeringDepartment,NavalUniv.ofEngineering,Wuhan430033,China)

Abstract：The propulsion performances of the open-water propeller and after ship propeller with air injection for a 95000 DWT bulk carrier are studied by RANS and VOF multiphase model. The influence of air injection on the propulsion performance of the propeller is investigated by the comparison of the thrust and torque of propeller, flow field at the propeller plane and the air phase distribution in the propeller working area for the cases with and without air injection. The results show that the average wake in the flow field of the propeller plane becomes smaller with the air injected to the ship bottom. There is no air in the propeller working area and the thrust and torque of the propeller is smaller than the case without air injection at the same ship sailing and propeller rotate speed.

Key words：air layer; propeller; average wake; thrust; torque

收稿日期：2016-03-03

中圖法分類號：U644.33

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.012

吳浩(1987- )：男，博士生，主要研究領域為船舶流體動力性能

*高性能船舶技術教育部重點實驗室開放基金項目(2013033102)、工信部高技術船舶科研計劃項目([2011]530)資助