興波及航態對螺旋槳激振力預報的影響

2020-04-22 12:20:18魯利徐野熊鷹

艦船科學技術 2020年3期

魯利，徐野，熊鷹

(1. 中國人民解放軍 92942部隊，北京 100073；2. 海軍工程大學艦船與海洋學院，湖北武漢 430033)

0 引言

在周向非均勻伴流場中運轉的螺旋槳將產生周期性的激振力，通常分為由于非定常螺旋槳葉載荷通過軸系傳遞到船體的軸承力和由于螺旋槳誘導的壓力場經過水傳遞至船體表面的表面力。螺旋槳激振力是船體尾部結構振動的主要激勵源，因此預報螺旋槳非定常水動力性能進而確定激振力，對于研究雙軸雙槳雙舵與尾部附體耦合振動特性具有重要意義。

目前CFD方法預報螺旋槳的非定常水動力性能已發展到了相當高的水平，利用CFD方法預報螺旋槳激振力變得越來越普遍。Krasilnikov等[1]使用RANS方法研究了斜流條件下的吊艙螺旋槳受力情況；Gaggero等[2]分別使用RANS方法和面元法分析了斜流中的螺旋槳，通過與試驗數據對比說明了2種方法的能力和限制；Liefvendahl等[3]使用LES和動網格方法研究了艇槳組合模型的螺旋槳脈動壓力、扭矩和單葉片載荷，分別從時域和頻域對計算結果進行了分析，TIAN等[4]使用LES方法和動網格技術計算了槳葉表面壓力脈動和非定常螺旋槳推力，并對其進行頻譜分析，觀察到表面壓力譜峰與軸頻諧波的關系，來流不均勻程度顯著影響非定常推力頻譜，傅慧萍[5]通過Fluent軟件計算了螺旋槳推力的脈動情況，沈海龍等[6]使用CFD方法模擬了均勻及非均勻伴流中不同螺旋槳的非定常水動力性能，預報結果與試驗結果吻合較好；丁科等[7]通過RANS和VOF方法，求取了“船+槳”系統的螺旋槳激振力，得到了螺旋槳激振力在葉頻和倍葉頻處存在明顯的線譜，馬超等[8]基于CFD軟件，對艇體后螺旋槳進行三維非定常湍流計算，分析螺旋槳周圍壓力場的變化特點及對艇體的影響，獲得了螺旋槳轉動1周過程中軸承力的變化規律；張漫等[9]使用滑移網格模型預報螺旋槳的非定常水動力性能；陳如星等[10]基于CFX的滑移網格技術預報伴流場下螺旋槳的非定常水動力性能，將計算結果與建議值進行了比較分析，表明該方法可有效預報螺旋槳激振力。

目前的研究主要是將計算或試驗得到的伴流場作為來流條件施加于螺旋槳，將螺旋槳置于船后，并考慮船體興波和船體縱向運動后航態變化的較少。針對以上研究現狀，本文以一全附體船舶為研究對象，基于CFD技術，建立疊模、考慮船體興波及航態變化條件下螺旋槳激振力的數值計算方法。同時，對螺旋槳推力和船底板壓力的平均值和脈動幅值進行進一步對比分析。

1 控制方程及計算方法

1.1 粘性流場計算方程

RANS方程是粘性流體運動學和動力學的控制方程，文中以它作為求解船體粘性興波流場的基本方程。其具體形式如下：

式中：ρ為流體密度；μ為流體粘度；為p靜壓；fi為單位質量的質量力；ui，uj為速度分量。

湍流模式為Realizable k-ε模型[11]，其方程形式如下：

湍流脈動動能方程（k方程）

湍流能量耗散率方程（ε方程）為

采用流體積法（Volume of Fluid Method，VOF）計算船體興波。

1.2 船體運動求解

船體所受力和力矩為：

式中：F和mC分別為作用在船模上的力和力矩矢量；[τ]為剪切應力；p為壓力；n為船體表面外法線方向；m為船體的質量；rC為船模重心處的位置矢量，下標C為船模的轉動中心（重心），r為船模表面任意一點的位置矢量。

根據牛頓第二定律，船模運動的六自由度控制方程[12]表達式如下：

式中：vC為船模平動速度矢量；[MC]為慣性矩張量；ωC為船模轉動的角速度矢量。

在數值模擬中，作用在船模上的力和力矩可由式（4）和式（5）得到，其運動的速度、角速度及位置、姿態等可以通過式（6）和式（7）求解、積分得到。

2 計算設置

2.1 計算模型

分別設計疊模、考慮自由面興波但船體固定和釋放船體縱搖垂蕩自由度3種情況，如圖1所示。

使用的CFD計算軟件STAR CCM+對三種情況下的螺旋槳非定常力和船底板脈動壓力進行計算。由于左右對稱，計算區域只取一半，前端位于首部上游約1倍船長處，設為速度入口；后端位于尾部下游約2倍船長處，設為壓力出口；側壁位于左舷約1倍船長處，設為速度入口；中縱面設為對稱面；底部位于龍骨下方約1倍船長處，設為速度入口；頂部疊模時位于水線處，設為對稱面，考慮興波時位于甲板上方約1倍船長處，設為速度入口；船體設定為壁面。螺旋槳的旋轉域與外域通過Interface連接。計算區域及船體表面的網格劃分如圖2所示。網格劃分采用非結構化網格，網格數量疊模時約180萬，考慮興波時約200萬，計算時間步長為0.000 2 s。

圖 1 計算的3種情況Fig. 1Three cases of computation

圖 2 計算區域及網格劃分Fig. 2Computational region and mesh

計算時，選取模型速度為3.732 m/s，螺旋槳轉速為927 r/min。監控螺旋槳的推力，在槳軸正上方的船底板處從尾封板到前尾軸架設置20個監測點，監測相應位置的壓力變化。

3 數值計算結果分析

3.1 螺旋槳推力分析

考慮興波時的船體興波波型如圖3所示。待螺旋槳推力變化規律穩定后，取0.5 s的推力計算結果，如圖4所示。可見考慮興波時推力的平均值有所減小，考慮航態時更小，與疊模相比分別減小1.37%和6.00%。

圖 3 船體興波波型Fig. 3Hull wake pattern

圖 4 推力計算結果Fig. 4Calculation result of thrust

減小的原因可用興波及航態變化導致的流場變化來解釋。3種情況下過槳軸線的縱剖面上的速度分布如圖5所示。可見情況2和情況3的速度依次增大，螺旋槳進速系數增大，推力系數減小。

圖 5 推力計算結果Fig. 5Calculation result of thrust

螺旋槳推力的功率譜密度如圖6所示。從圖中可分辨出1～5倍葉頻，3種情況下1，2倍葉頻出峰值較為接近，與疊模相比分別，考慮興波和航態時1倍葉頻處峰值分別減小6.95%和25.81%。推測其原因為：從情況1到情況3，越來越接近真實情況，對計算的限制條件逐漸減弱，限制條件對流場的干擾也逐漸減弱，來流不均勻程度減弱，因此推力脈動的幅值減小。