中高速船自航因子數值預報方法

賴海清，常書平2，李明敏,方先進

(1.廣州船舶及海洋工程設計研究院，廣州 510250；2.中國人民解放軍63983部隊， 江蘇 無錫 214035)

近年來，IMO推動了船舶能效設計指數標準的制定和實施，綠色造船和限制新船溫室氣體排放的措施逐漸引起了各界的關注[1]。通過船舶自航因子的預報，可以判斷船-機-槳匹配和評估船舶性能，從而降低能耗。對于船-槳-舵全耦合的數值模擬研究一直以來都是船舶CFD領域的難題。目前應用最廣泛的強制自航法[2]在預報船舶自航性能時需要進行若干不同螺旋槳轉速的計算，最終要對多個轉速下的結果進行插值才能得到自航點的螺旋槳推進性能，使得計算量增加，限制了該方法在船舶節能減排中的應用。本文以某400 t工作船為研究對象，探討更高效的船舶自航因子預報方法。

1 船體全附體阻力預報

該船主要參數見表1。

表1 船型主要參數

利用流體計算軟件對目標船在一定航速下的阻力進行數值計算。

400 t船采用雙機、雙槳、雙舵、雙尾鰭形式，對全附體進行建模，考慮到船體具有左右對稱的特性，為節約計算時間，選擇半船進行計算，以船舯作為鏡射面。入口處采用速度入流，出口則為壓力出口，船舯為對稱邊界條件，船體采用無滑移邊界條件。在船艏及船艉幾何變化大的地方進行網格加密，而在船殼附近受邊界層影響的地方，則布有邊界層網格，以正確描述船殼的邊界層效應。除了在船體附近加密外，在空氣與水的交界面(水線面)附近進行網格加密，并在水線面上以凱文波(Kelvin wave)的形狀進行網格加密，以描述船在航行時所產生的波形。關于紊流模型的選擇，依照對迭模型的比較結果，選擇k-ω紊流模型。最終網格見圖1，網格數為396 萬。

圖1 網格模型

將數值計算得到的船體阻力與試驗阻力結果見表2。

表2 CFD阻力與試驗阻力對比

計算結果表明，CFD計算結果普遍低于試驗結果,CFD計算的總阻力和總阻力系數與模型試驗吻合較好，相對偏差小于5%，滿足工程精度要求。

2 螺旋槳水動力分析

2.1 螺旋槳快速建模及網格劃分

螺旋槳的曲面造型相對普通的曲面造型復雜，將 PropCAD軟件與犀牛(Rhino)軟件相結合，實現螺旋槳的快速建模，見圖2。

圖2 螺旋槳建模

計算域網格可分為結構網格和非結構網格，結構網格亦稱映射網格，其生成的節點和網格元素的數量較少，模擬結果也較為精確，但遇到復雜的幾何外型時，需降低元素大小或以其他方式處理，建立網格的時間較長；非結構性網格則處理較復雜的幾何外型，其缺點則為結點和網格數量增加，且模擬的結果也會比結構性網格差。采用混合型網格，在外部流場使用六面體網格，而螺旋槳則因復雜的幾何圖形，使用四面體網格，對螺旋槳槳葉采用局部加密處理，同時，為了更好地捕捉螺旋槳的所有外形特征，對其特征線均進行規整的特征線網格加密[4]。最終全計算域共270.5萬個網格。

2.2 邊界條件

1)入口邊界。速度入口進場的部分，隨著進速系數的不同給予相對的進場速度。

2)出口邊界。 流場出口處設為壓力出口，表壓設置為0。

3)壁面邊界。內部螺旋槳設為移動壁面，但不具滑動特性，且與旋轉的流場進行相對地轉動；外流場壁面設為對稱 。

2.3 CFD計算分析

螺旋槳敞水效率曲線由以下4個參數構成。

將試驗值與數值計算結果進行擬合，比較見圖3。

圖3 試驗數據與模擬數據對比

由圖3可見，kt、kq和ηo的計算結果與試驗結果相當接近，仿真結果較好，誤差約為3%。分析誤差認為主要由物理模型與數字模型的偏差、試驗與模擬工作條件不完全相同引起，但總體上兩者基本一致。該CFD方法模擬螺旋槳的敞水性能滿足實際工程設計和應用的要求。

3 船舶自航模擬及自航因子分析

建立船-槳-舵全耦合數值求解模型，見圖4。

圖4 自航計算完整模型

計算時將整個流域分成2個計算域，船體與舵均位于外邊的長方體流域之中，螺旋槳位于內部的槳域之中，2個子域之間通過滑移網格來實現子域之間流場信息的交換。通過對螺旋槳表面、舵等區域局部網格加密，螺旋槳內部流域網格總數為137萬，外部流域網格總數為460萬，總網格數為597萬。

利用CFD軟件結合隨體網格技術及自航宏文件可以實現船舶自航的數值模擬，螺旋槳轉速不同船舶穩定自航速度也有所不同。基于上述情況，提出了一種自航點確定方法來得到目標航速下的實船自航點以及船舶實效自航性能。具體方法如下。

1)依照船舶目標航速及自身特點，預先給定船舶目標航速，預估該航速下的螺旋槳自航轉速。

2)根據船型的特點，計算目標速度Vm下的船體摩擦阻力修正值SFC，將其作為強制力Z施加在船體上，從而只需要克服螺旋槳產生的推力(Rt(SP) -SFC)。

3)對船舶在該速度下的自航進行模擬。在計算過程中，船體承受螺旋槳產生推力和強制力Z以及船體阻力。軟件根據其合力結果自動動態調節螺旋槳轉速，直到船舶阻力Rt(SP)=螺旋槳推力T+強制力Z，達到最終平衡。由數值模擬得到船速V、螺旋槳推力T、船阻力Rt(SP)、螺旋槳轉矩QPROP和船舶轉矩QHULL。與試驗結果進行比較，結果見圖5。

圖5 自航結果對比

由 CFD 計算得到18 kn航速時的自航推進因子見表3。

表3 自航因子分析

圖6 自由液面波高

圖7 螺旋槳及舵葉壓力分布云圖

其中，敞水曲線采用了2.3的計算結果，自航推進因子的求解方法采用的是 ITTC 推薦使用的等推力法。在所有 CFD 計算得到的系數與試驗測量的比較當中，最大誤差為相對旋轉效率ηr，計算結果與實驗值相比小5.71%，其他計算結果與實驗值吻合較好。平均誤差在 3.0%在左右。計算結果表明，采用該方法進行自航推進計算有效而且準確。航速為2.729 m/s時的自由液面波高及螺旋槳舵葉壓力分布見圖6、7。

4 結論

1)船體的阻力及螺旋槳敞水性能計算和水池試驗結果較為吻合，誤差在3%左右。

2)在自航因子預報上達到了較高的精度，其誤差在±5%，滿足工程精度的要求。

3)相比強制自航法，該方法不需要多次對螺旋槳轉速進行計算后再去插值，而是在一次計算中，通過動態調整螺旋槳轉速從而使船體達到受力平衡，得到其自航點。

4)本文所述自航數值預報方法既能保證計算精度和穩定性，又能縮短計算時間，是基于 CFD 的實船功率/航速預報的技術準備，同時也為今后更加深入研究改善推進性能、優化附體設計及改進船型工作提供技術手段。