海洋污損對螺旋槳葉切面性能影響的數值模擬

張濤，彭飛，閔少松

海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢 430033

海洋污損對螺旋槳葉切面性能影響的數值模擬

張濤，彭飛，閔少松

海軍工程大學艦船工程系，湖北武漢 430033

通常情況下，艦艇螺旋槳槳葉表面為拋光金屬材質，沒有涂裝防污涂層，使得槳葉易受到海洋污損生物的附著和侵蝕，然而污損對螺旋槳性能的影響研究較少。采用CFD方法對污損螺旋槳葉切面流場分布進行數值模擬，在污損生物群落中選取藤壺作為污損對象，并在幾何層面上進行直接建模。計算結果表明，污損使得葉切面邊界層分離更早、分離區域更大，進而使得葉切面升阻比顯著降低（最大降低了近90%），從而導致螺旋槳推進效率大幅降低；當藤壺高度超過一定閾值后，藤壺的繼續生長對葉切面升阻力的影響變得較小。

海洋污損；葉切面；升阻力；SST k-ω湍流模型

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20160531.1104.012.html期刊網址：www.ship-research.com

引用格式：張濤，彭飛，閔少松.海洋污損對螺旋槳葉切面性能影響的數值模擬［J］.中國艦船研究，2016，11（3）：32-36.

ZHANG Tao，PENG Fei，MIN Shaosong.Numerical simulation of the effects of biofouling on the hydrodynamic perfor?mance of propeller blade sections［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（3）：32-36.

0　引　言

在海洋水生環境中附著和生長于物體表面的微生物、植物和動物稱之為海洋污損（簡稱污損）［1］。當一艘艦艇下水后污損便開始在艦艇上附著生長，在艦艇進行清洗和重新涂裝之前污損將持續地生長積累。艦艇的污損程度取決于艦艇在海上的時間、航行水域的溫度和鹽度以及防污漆的效能等因素。研究表明，污損會增加船體表面粗糙度，進而導致船體摩擦阻力和燃油消耗增加，并降低最高航速和續航力［2-3］。

根據污損生物的形態，可將污損分為微觀和宏觀2類。Taylan［4］等研究發現，微觀污損（如生物粘膜）可以引起船舶阻力增加1%～2%，而宏觀污損（例如藤壺）可使得船舶阻力最高增加40%；Schultz等［5］采用美國海軍技術手冊的污損分級方法和相當粗糙度概念，研究了污損對艦艇需求軸功率的影響，研究發現，當一艘護衛艦以巡航航速航行時，與船體光滑狀態相比，嚴重粘膜污損和嚴重鈣質污損可導致需求軸功率分別增加21%和86%；然而他們的研究均未考慮螺旋槳污損的影響。據美國海軍技術手冊［6］，螺旋槳污損引起艦艇燃油消耗的增加可占船體中度污損影響的50%，而螺旋槳表面一般都是拋光金屬，且沒有防污涂層，使得槳葉更容易受到污損的附著和侵蝕，25thITTC［7］指出，迄今為止引起螺旋槳粗糙度的最大原因便是污損，即使螺旋槳粗糙度少量的增加也會導致需求軸功率的大幅增加。Khor等［8］使用標準k-ε湍流模型與標準壁面函數對各種污損狀況下二維NACA 4424翼剖面進行了數值模擬，得到了一些有意義的結論，然而k-ε湍流模型與標準壁面函數不適于處理翼剖面上的流動分離。本文將選取在船用螺旋槳應用廣泛的NSRDCNACA-66mod翼型剖面［9］作為螺旋槳葉切面，以圓錐柱模擬藤壺，采用CFD數值方法研究不同尺寸的藤壺對葉切面升阻力的影響，并將對污損影響的物理機制進行分析。

1　數值方法

1.1污損建模

藤壺是螺旋槳污損生物群落中的優勢物種，在艦艇螺旋槳表面的分布如圖1所示。藤壺呈圓錐形，殼口直徑小于基底直徑，壁板與基底交角小于90°［10］，因此在數值計算中采用圓錐柱模擬藤壺，其三維實驗模型如圖2所示。本文數值模擬采用二維模型（圖3），依據對艦艇螺旋槳污損情況的調研分析，以藤壺的尺寸為標準設置了3種污損模型，具體參數如表1所示，在表1中設置了光滑葉切面模型作為對照。

圖1　艦艇螺旋槳上藤壺的形態和分布Fig.1　Barnacles distribution on a ship propeller

圖2　實驗模型Fig.2　Experimental model

圖3　數值計算的污損葉切面模型Fig.3　A fouled blade section model of the simulations

表1　污損模型的參數Tab.1　The parameters of fouled models

1.2計算方法

不可壓縮流體的雷諾平均連續方程和動量方程為：

式中：ρ為流體密度；uˉi，uˉj為速度向量的時均值；為雷諾應力；pˉ為平均壓力；μ為動力粘性系數。

在近壁區的處理方法上，傳統的壁面函數法主要依據簡單的平行流邊界層實測資料歸納得出，對于彎曲壁面流動或流動分離過大，這種處理方法不太理想［11］。考慮到污損葉切面模型表面凹凸不平，在流場中存在著許多各種尺度的分離渦流，傳統的壁面函數法已不再適用，需要采用對粘性底層直接求解的近壁面模型。在RANS模型中常用的近壁面模型有低雷諾數k-ε模型，k-ω與SST k-ω模型，其中SST k-ω湍流模型具有k-ω模型的近壁區計算準確性與k-ε模型遠區自由流動的魯棒性。Menter［12］分別使用k-ε，k-ω，BSL k-ω 與SST k-ω模型對水翼繞流場進行了模型研究，發現SST k-ω模型對流場分布的計算結果與實驗數據吻合得最好。因此文中采用SST k-ω模型對粗糙二維翼剖面的流場分布展開研究，SST k-ω模型的描述如下：

式中：k為湍動能；w為耗散率；Gk為平均速度梯度所產生的湍動能；Gw表示w的產生；Γk與Γw分別表示k與w的有效擴散率；Yk與Yw分別表示k與w湍流引起的耗散；Sk與Sw為自定義源項。

1.3網格與邊界條件

為了準確求解葉切面尾流，采用C型網格，首部圓的半徑為10c，尾部長方形邊長為20c（c為葉切面的弦長）。由于污損情況下葉切面表面的幾何不規則性，采用混合網格形式：葉切面附近區域使用非結構網格，遠離葉切面區域使用結構網格。計算域和葉切面附近局部網格如圖4所示。

圖4　計算域與局部放大網格Fig.4　The whole computational zone and local amplified grids

計算域入口采用速度邊界條件，來流速度為5 m/s，湍流強度和湍流長度尺度通過下式得到：

式中：L為特征長度；Re=1.14×106；L取為葉切面弦長，故I≈2.8%，l≈0.016。

計算域出口和葉切面分別采用自由出流（Outflow）和無滑移壁面（No-slip wall）邊界條件，混合網格交界面采用interface邊界條件。

2　計算結果與討論

2.1網格獨立性檢驗

在葉切面近壁區存在著較大速度梯度，需要合理地確定壁面附近第1層網格節點的高度。一般使用 y+值來表征第1層節點高度，y+定義為

y+=（ρypuτ）/μ（7）式中：yp為第1層網格節點的高度；uτ為摩擦速度，uτ=（τw/ρ）1/2，τw為壁面切應力。

y+值的確定需要依據湍流模型和壁面處理方式來確定，在FLUENT中使用SST k-ω湍流模型時一般要求第1層網格節點需位于粘性底層內且在邊界層內布置15個以上的節點。為了合理確定 y+值，對Fouling_3 mm污損狀況設置了5種精度不同的網格，并分別在10°攻角下進行檢驗，結果如圖5所示。當 y+減小到2之后，葉切面升阻比（CL/CD）的變化便很小，因此，選取 y+=2作為網格分辨率的設置標準。

圖5　網格獨立性檢驗Fig.5　Grid dependence test

2.2升力與阻力

污損對NSRDC-NACA-66mod剖面的升力系數CL和阻力系數CD的影響如圖6和圖7所示，可知污損對剖面升阻力的影響較大。在5°攻角下相對于光滑狀態（Smooth），葉切面在1 mm污損狀況下CL降低了約15%，CD則增加了約83%；在6 mm污損狀況下CL降低了約30%，而CD則增加了近2.7倍；而且，污損對葉切面升阻力系數的影響隨著攻角增加而變大。隨著污損高度增加，污損對CL和CD的影響逐漸變大，然而Fouling_ 3 mm與Fouling_6 mm的升阻力系數比較相近，可以推測當藤壺高度超過一定值后，藤壺繼續生長對葉切面升阻力的影響變得較小。

圖6　在不同污損情況下升力系數隨攻角的變化Fig.6　Variation of the lift coefficient with respect to various attack angles under different fouling cases

2.3速度云圖

圖7　在不同污損情況下阻力系數隨攻角的變化Fig.7　Variation of the drag coefficient with respect to various attack angles under different fouling cases

各種污損狀況下葉切面的速度云圖如圖8所示，可知隨著污損高度的增加，葉切面上表面邊界層分離得更早，分離區域更大，使得上表面高流速區域變小且相應的流速值也減小，導致上表面壓力大幅度增加，進而導致升力顯著減小。

圖8　5°攻角下葉切面附近速度云圖分布Fig.8　Velocity contours at 5 degrees attack angles

2.4壁面壓力分布

5°攻角下各種污損狀況葉切面壓力系數分布如圖9所示，與光滑狀態相比，污損顯著改變了葉切面壓力分布，尤其是吸力面壓力分布。污損使得吸力面壓力分布不再均勻，出現壓力的跳躍點，這可能使得葉切面局部過早地出現空泡。在1 mm污損狀況下葉切面的壓力分布與光滑狀態較為相似，隨著污損高度增加，葉切面吸力面和壓力面的壓力均降低，其中3與6 mm污損比較相似，這也可以解釋兩者的升力系數相差較小的原因。

圖9　5°攻角下各種污損狀況葉切面壓力系數Cp分布Fig.9　Wall pressure coefficient distribution at 5 degrees attack angle under those fouling cases

3　結　語

本文對3種污損狀況下葉切面流場分布進行了數值模擬，選取藤壺作為污損對象，并在幾何層面對藤壺進行直接建模，避免了傳統的壁面函數法不能處理邊界層分離的弱點，可更加準確地求解污損葉切面流場分布。計算結果表明：污損會顯著改變葉切面的速度分布和壓力分布，進而對葉切面的升阻力造成嚴重不利影響，從而降低螺旋槳推進效率；即使1 mm高度的污損也會導致葉切面升力系數降低約15%，阻力系數增加約83%。根據葉元體理論，葉切面升力降低以及阻力增加必然導致螺旋槳推進性能惡化，因此，為了保持螺旋槳的設計性能，在船舶使用過程中應對螺旋槳進行高頻率的清洗和打磨，而且最好在藤壺生長初期進行清洗。

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Numerical simulation of the effects of biofouling on the hydrodynamic performance of propeller blade sections

ZHANG Tao，PENG Fei，MIN Shaosong
Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Generally，propeller surfaces are made from polished metal and have no antifouling provision，making them vulnerable to biofouling，yet the effects of such fouling on the performance of propellers are rarely studied.The present work simulates the flow field distribution around the fouled blade section by means of CFD.Barnacles are selected as the major subject from the fouling community and are directly modeled on a geometric level.The results show that the fouling causes earlier separation of the boundary layer and increases the separation region，which further leads to significant reduction of the lift-drag ratio （up to about 90%in maximum），and would thus result in remarkable decrease in the propulsive efficiency of propellers.However，when the height of barnacles exceeds a certain limit，their future growth yields limit?ed effects on the lift-drag ratio.

biofouling；blade sections；lift and drag；SST k-ω turbulence model

U664.33

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.03.006

2015-08-03網絡出版時間：2016-5-31 11:04

海軍工程大學自然科學基金資助項目（HGDQNJJ13038）

張濤（通信作者），男，1986年生，博士生。研究方向：艦船性能與保障。

E-mail：zthjgc@139.com