TEU系列集裝箱船螺旋槳轂帽鰭的計算與試驗驗證

田曉慶，邵漢東，潘玉鵬，潘華辰

（1.杭州電子科技大學(xué) 海洋工程系，杭州 310018；2.揚(yáng)帆船舶設(shè)計研究院，浙江舟山 316100）

0 引言

近年來，隨著國際海事組織IMO（International Maritime Organization）對船舶安全和溫室氣體排放等標(biāo)準(zhǔn)的提高及 EEDI（Energy Efficiency Design Index）指數(shù)的提出[1]，使我國乃至全球的船舶工業(yè)都面臨著巨大的挑戰(zhàn)和訂單影響。鑒于此，船舶節(jié)能減排問題已提升到前所未有的高度。

螺旋槳轂帽鰭PBCF（Propeller Boss Cap Fins）作為一種船舶節(jié)能裝置，由于其結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便，近年來已成為船舶行業(yè)研究的熱點之一[2]。實驗研究方面，龔其福[3]等采用反向敞水實驗，對轂帽鰭的最佳參數(shù)進(jìn)行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)轂帽鰭能提高螺旋槳的推動效率。至 2009年，中船重工 702所又采用激光測速儀（LDV）對轂帽鰭安裝前后流場的特性進(jìn)行了研究，驗證了轂帽鰭能改善螺旋槳的尾流特性[4]。為了進(jìn)一步驗證轂帽鰭的節(jié)能效率，文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了PBCF兩種不同安裝方案的對比研究，發(fā)現(xiàn)PBCF能提高螺旋槳的敞水特性，但是安裝方式對其驅(qū)動效率的影響各異。

隨著計算流體（Computational Fluid Dynamics，CFD）的發(fā)展，螺旋槳PBCF設(shè)計和優(yōu)化的數(shù)值模擬研究也日新月異。先后有了Xiong Ying[6]等，對PBCF形狀的優(yōu)化設(shè)計，Takafumi Kawamura[7]等對實船的數(shù)值模擬，并將其與試驗結(jié)果進(jìn)行對比分析，驗證了實船尺度比船模更能提高螺旋槳的推力和效率。上海船舶運輸科學(xué)研究院也對槳-PBCF-舵的水動力性能進(jìn)行數(shù)值計算研究，發(fā)現(xiàn)無舵時PBCF的節(jié)能效率高于有舵時[8]，大連理工大學(xué)還建立了有舵和無舵狀況下，PBCF的最佳參數(shù)[9]。也有學(xué)者通過 CFD的方法驗證了轂帽鰭葉片的安裝角度對PBCF的節(jié)能效率有較大影響[10]。Jeonghwa Seo[11]等采用實驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對這一結(jié)論進(jìn)行了驗證。

然而，這些研究大都針對某一種特定的船型，大都是螺旋槳和PBCF的獨立設(shè)計。鑒于此，針對典型的TEU系列大型集裝箱船，以其快速性為研究對象，對螺旋槳和PBCF進(jìn)行一體化設(shè)計。

1 轂帽鰭的設(shè)計

選用 TEU系列某一特定的集裝箱船為研究對象（該船型的特征參數(shù)如表1所示），依次建立船模和實船的三維數(shù)值計算模型。

表1 船型參數(shù)表

基于SHIPFLOW中的ZONAL方法，將整個船體劃分為3個區(qū)域：勢流區(qū)、薄邊界層區(qū)和湍流區(qū)。采用面元法，運用k-ωSST和EASM湍流模型，結(jié)合無壁面函數(shù)依次計算出船體伴流場，并將其作為螺旋槳和轂帽鰭的來流條件。基于高效槳葉剖面的流場特性，設(shè)計出伴流的最佳側(cè)斜和縱傾分布。同時，適當(dāng)提高螺旋槳根部的環(huán)量，最終設(shè)計出如圖1所示的適用于該螺旋槳的轂帽鰭，槳和鰭的各個特征參數(shù)見表2。

圖1 螺旋槳和轂帽鰭

表2 螺旋槳和轂帽鰭的主要參數(shù)

2 槳鰭的實驗結(jié)果及分析

為避免轂帽鰭的尺寸效應(yīng)影響測量效果，采用目前國際上頂級的空泡水筒進(jìn)行螺旋槳轂帽鰭的增效試驗，并將空泡水洞試驗中所得到的安裝和未安裝轂帽鰭的螺旋槳敞水性能差量添加到常規(guī)的敞水試驗結(jié)果之中。

表3 轂帽鰭模型空泡水筒試驗結(jié)果

其中，J表示螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)；Kt、Kq，η分別代表螺旋槳帶轂帽鰭和不安裝轂帽鰭時的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和敞水效率之比。

槳-鰭和槳本身試驗結(jié)果可以看出：添加轂帽鰭可以提升螺旋槳的推力系數(shù)，同時，降低了其扭矩系數(shù)；并且隨著進(jìn)速系數(shù)的提升，螺旋槳的敞水效率也逐漸提升。

為了充分驗證螺旋槳轂帽鰭的作用效果，除空泡水筒增效試驗外，還依次進(jìn)行了船模和實船的敞水試驗、阻力試驗和自航試驗，各個測量結(jié)果依次如表4和表5所示。

表4 船模敞水試驗結(jié)果

表5 實船敞水試驗結(jié)果

從表4和表5中可以看出：隨著進(jìn)速系數(shù)的提升，推力系數(shù)和扭矩系數(shù)都呈下降趨勢，螺旋槳的敞水效率呈線性增加（圖2）。

同時，實船比船模的敞水效率高一個百分點左右，并且隨著螺旋槳進(jìn)速系數(shù)的提升，敞水效率的提高速度也有所增加（增幅為0.90%～1.46%）。對比表5和表6可以看出，添加轂帽鰭的實船相對原船原槳，敞水效率均有一定程度的提升，并且隨著進(jìn)速系數(shù)的提升，敞水效率的增幅也有一定的增加（增幅為1.80%～2.11%）。

為進(jìn)一步驗證轂帽鰭的優(yōu)越性，采用實船為研究對象，先后以帶轂帽鰭和不加裝轂帽鰭的槳鰭船體為研究對象，依次對不同航速下，船體結(jié)構(gòu)吃水、設(shè)計吃水和壓載吃水時，收到功率進(jìn)行了測量，具體結(jié)果如表7所示。

表6 帶轂帽鰭實船試驗結(jié)果

圖2 不同進(jìn)速系數(shù)時，敞水試驗效率

其中，DT0表示未添加轂帽鰭的船舶參數(shù)，DT1表示添加轂帽鰭以后所對應(yīng)的各個參數(shù)。

對比優(yōu)化方案與原方案（表7）可以看出：結(jié)構(gòu)吃水時，相同航速下收到功率降低了近 5%，相同功率下航速提升了0.24 kn；設(shè)計吃水時，收到功率降低了8%，相同功率下航速也提高了0.38 kn；壓載吃水時，相同航速下收到功率降低了近 5%，相同功率下航速提升了0.23 kn。

3 結(jié)論

運用船舶設(shè)計CFD中的槳-船一體化技術(shù)，對TEU系列某一特定船型的螺旋槳進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并用CFD中伴流模型對轂帽鰭的性能進(jìn)行了驗證。接著，引入船模和實船的敞水試驗，依次進(jìn)行了阻力試驗和自航試驗，通過數(shù)值模擬和試驗研究發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論。

1）新型帶轂帽鰭的設(shè)計槳比原船原槳收到功率下降5%～8%，同時，相同功率下可將船舶的航速提升0.23 kn～0.38 kn。

2）新型帶轂帽鰭的設(shè)計槳比原船原槳時，船舶的敞水效率提升近2個百分點，并且隨著螺旋槳進(jìn)速系數(shù)的提升，船舶敞水效率的提升量也隨之增加。

表7 帶轂帽鰭與不帶轂帽鰭的原槳收到功率

3）船舶任意航速時，實船比船模的敞水效率高1個百分點左右，并且隨著螺旋槳進(jìn)速系數(shù)的提升，效率的提高速度也有所增加。