某散貨船整流導管節能機理數值分析

杜云龍，陳偉民，張青山，楊 帆，陳昆鵬

(上海船舶運輸科學研究所 a.航運技術交通行業重點實驗室；b.航運技術與安全國家重點實驗室，上海 200135)

當前，船舶節能減排是航運界和造船界共同關注的熱點。船舶水動力節能裝置是實現船舶節能減排的有效手段之一，具有節能效果顯著、造價低廉等優點，受到船舶行業的廣泛關注。[1-2]目前，整流導管(Flow Straightening Duct,FSD)是新建船舶廣泛采用的一種節能裝置，具有結構簡單、安裝方便等優點，不僅能應用于新建船舶，而且可應用于現有的營運船舶的改造。經海上試航和長期使用，綜合運載情況、航速和海況等因素，其節能效果約可達5%。據不完全統計，該節能裝置在近30 a已在上千艘單槳船上使用。[2]

一直以來，FSD等節能附體的能效評估都是通過相應的模型試驗實現的。[3]但是，隨著船舶計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)技術的不斷發展，采用CFD數值計算方法實現節能附體能效評估受到國內外學者的廣泛關注,已成為該領域研究的熱點。目前，有關CFD方法預報槳前節能附體能效的研究已取得一定的進展[4-6]，主要借助CFD方法實現船舶阻力、螺旋槳敞水和船舶自航性能數值分析[7-8]，結合相關規程實現船舶推進性能預報和節能附體能效評估。分析整流節能附體節能機理和尺度效應等，但目前CFD計算方法的計算精度和穩定性尚存在一些問題，無法完全取代模型試驗，CFD計算方法本身需經由更多的探索研究和模型試驗數據驗證來改進和完善，對FSD的節能機理尚需進一步分析。因此，本文以一艘散貨船為研究對象，研究FSD能效CFD計算方法，提升數值計算精度，分析整流導管對船舶阻力、流場和自航因數的影響及其節能機理，為FSD設計提供參考。

1 數值方法

1.1 控制方程

流場中的控制方程為不可壓縮流體的連續性方程和動量方程，分別為

(1)

(2)

對于湍流模型的選取[8]，本文在計算中采用剪切應力輸運(SSTk-w)模型，方程式為

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：Gk和Gw為湍流的生成項；Yk和Yw為湍流耗散項；Γk和Γw為k和w的擴散系數；Dw為交叉項；Sk和Sw為用戶自定義的源項；方程中具體各項表達式和模型參數情況見文獻[9]。

1.2 計算域

在數值計算中，計算域采用長方形計算域，船模阻力數值計算考慮自由液面的影響，計算域選取情況見圖1。計算域邊界選取和邊界條件設置情況如下：

1) 前端——船模艏部向前約2倍船長，邊界條件設置為速度入口，給定來流速度。

2) 后端——船模艉部向后約3倍船長，邊界條件設置為速度出口邊界條件。

3) 兩側邊界——船模舷側方向約2倍船長，邊界條件設置為對稱邊界。

4) 上邊界——船模最大型深向上約1倍船長，邊界條件設置為可滑移壁面邊界條件。

5) 下邊界——船模底部向下約2倍船長，邊界條件設置為可滑移壁面邊界條件。

6) 船模、舵和節能附體，邊界條件設置為壁面邊界條件，滿足壁面無滑移假定。

圖1 船模阻力計算域情況示意

對船模進行自航數值計算，同時為節省計算時間，將研究重點放在前置導管節能效果數值研究上，在船模自航數值模擬中不考慮自由表面的影響，即采用疊模法來求解。在進行自航計算時，計算域同樣采用長方形計算域，計算域選取情況見圖2。計算域尺度和邊界條件設置情況如下：

圖2 船模自航計算域情況示意

(1) 計算域前端、后端、兩側邊界、下邊界尺寸和邊界條件與阻力數值計算時相同。

(2) 上邊界設定在船體設計吃水處，設置為對稱邊界條件。

(3) 自航計算考慮螺旋槳真實幾何模型，螺旋槳葉表面設置為壁面條件，滿足壁面無滑移假定。

(4) 劃分包圍螺旋槳的圓柱形區域，圓柱直徑為1.15倍螺旋槳直徑，在自航計算中繞螺旋槳軸作旋轉運動，旋轉區域與外部流場區域采用交接面方法進行數據傳遞。

1.3 網格劃分情況

本文采用的網格形式為混合網格，針對船體、螺旋槳和節能附體等關鍵流場區域進行網格加密處理，計算域內大部分區域采用結構比較規則的六面體網格，在船體艏艉、節能附體幾何形狀復雜的區域和較密網格與較粗網格之間的過渡區域，采用多面體網格進行網格過渡。為保證壁面附近的網格質量，在船、槳、舵和節能附體表面劃分較精細的邊界層網格。

船模阻力數值計算中考慮自由液面的影響，對自由面附近區域進行網格加密處理，計算域內網格總數約為200萬個。網格劃分情況見圖3。

圖3 船模阻力數值計算網格劃分情況

船模自航數值計算不考慮自由液面的影響，去掉自由液面網格加密帶，進一步對船體艉部螺旋槳附近區域進行加密處理，計算域內網格單元總數約為300萬個。計算域及網格劃分情況見圖4。

1.4 計算參數設置

1) 湍流模式：數值計算中選取的湍流模型為SSTk-w模型。

2) 自由面處理方法：在船模阻力計算中，自由表面數值方法采用VOF(Volume Of Fluid)方法。

3) 壓力與速度耦合方式：船模阻力與自航計算壓力速度耦合方法采用SIMPLE方法。

4) 壓力離散格式：采用PRESTO!(Pressure Staggering Option)方法離散，其他項采用二階迎風格式離散。

5) 船模自航計算螺旋槳旋轉運動數值方法采用滑移網格方法。

2 研究對象

本文選取的研究對象為一艘散貨船，船體配備相應的槳模、舵模和整流導管，其三維幾何模型見圖5。本文數值計算均采用模型尺度，計算工況對應Fγ=0.145，對應模型速度為1.187 m/s。船模和螺旋槳模型基本參數見表1。

3 計算結果與分析

3.1 螺旋槳敞水數值計算結果

對18萬噸級散貨船配備的螺旋槳進行敞水性能數值計算，數值計算結果與模型試驗結果的比較見表2。由表2可知：該計算方法能較好地模擬出的螺旋槳敞水性能，與模型試驗結果相比，推力系數

表1 船模和槳模主尺度情況

表2 螺旋槳敞水性能數值計算結果

誤差基本在4%以內，扭矩系數吻合度較好，在設計點附近(J在0.4～0.5)偏差在1%以內，敞水效率偏差基本上都在4%以內。

3.2 整流導管對船體阻力影響分析

3.2.1船模阻力計算結果

船模阻力數值模擬用于獲得船模靜水阻力性能，是船?？焖傩灶A報的重要組成部分。本文分別對船模光體和加裝整流導管情況進行阻力數值計算，計算中船體裝配舵幾何模型，以考慮舵對船體阻力的影響。計算結果與模型試驗結果對比見表3。由表3可知：數值計算結果與模型試驗結果吻合度較好，阻力值偏差均在1.7%以內。船舶加裝附體之后模型阻力略有增加，但增加量很小，僅占總阻力的0.2%。

表3 疊模法計算得到模型阻力

3.2.2船模興波阻力分析

采用疊模法對船舶無導管情況進行阻力數值計算，假定計算得到的阻力值與帶有自由表面下阻力計算結果的差值為船模的興波阻力。計算分析結果見表4，采用疊模方法計算得到的阻力值為28.125 N，考慮自由表面后計算得到的總阻力值為30.165 N，兩者之差為1.95 N，即認為該工況下船體模型的興波阻力Rw=1.95 N。

表4 船舶興波阻力分析

4 船模自航數值計算

4.1 自航計算方法

在自航數值計算中，參考船模自航模型試驗方法，結合國際拖曳水池會議(International Towing Tank Conference,ITTC)推薦的船模自航模型試驗和換算方法，采用強迫自航方法開展船模自航計算分析，具體計算和分析流程[8-10]如下：

1) 定義速度入口來流速度為船模速度vm并保持不變，變換3個螺旋槳轉速n，得到不同螺旋槳轉速下的槳推力T、扭矩Q和螺旋槳抽吸作用下船模阻力值RTS。

2) 根據數值計算得到的不同螺旋槳轉速n條件下推力T、扭矩Q和螺旋槳抽吸作用下的船模阻力RTS，建立Z-n、T-n和Q-n變化曲線，其中Z=RTS-T。

3) 對計算結果曲線進行插值分析得到實船自航點，即Z=FD時的螺旋槳轉速n、螺旋槳推力T和轉矩Q，其中FD為

(8)

式(8)中：ρ為淡水的密度;S為船模濕表面積;k為形狀因數，本船在進行阻力分析時采用二因次方法，k值取1；ΔCf為粗糙度補貼系數。

4.2 自航計算結果分析

采用第4.1節中的自航計算分析方法對有節能附體和無節能附體條件下船模自航數值計算結果進行分析，繪制出推力T、扭矩Q和強制力Z隨轉速n的變化曲線，根據強制力插值得到自航點轉速、推力和扭矩值，插值結果見表5，插值結果曲線見圖6。

表5 有無附體時自航點CFD計算結果比較

a) 光體

由表5和圖6可知:加裝FSD之后，船模的自航點轉速相比無導管時有所下降，這對船舶提高推進效率是有利的，數值計算與模型試驗得到的變化規律是一致的。

4.3 節能效果分析

船/槳組合體的繞流計算是自航性能數值預報的基礎，基于船/槳組合體的繞流計算得到的數據，按照ITTC推薦規程進行船模自航性能預報，得到船模的自航因數。[11]船舶在加裝前置導管前后自航因數的變化情況見表6。由表6可知：該船加裝的前置整流導管具有較明顯的節能效果，數值計算結果顯示該船在加裝導管之后推進效率提升了4.13%，模型試驗結果顯示推進效率提升了5.8%，數值分析得到的加裝節能導管前后引起的推進效率成分變化規律與模型試驗結果一致。同時，從該船同類型姊妹船實船試航結果反饋來看，該船加裝前置導管之后，在相同功率下航速增加0.22 kn，功率下降4.4%。實船試航數據分析結果表明：前置導管的節能效果明顯，根據數值計算結果預測出的節能效果在實船試航試驗中仍然存在，且量值比較接近，表明該數值模擬方法在預測前置整流導管節能效果方面是有效的。

表6 自航因數和節能效果分析

5 流場分析

船舶加裝FSD之后，會在一定程度上改變艉部伴流場，影響螺旋槳的進流條件，進而影響螺旋槳的推進效率、空泡激振力和實船功率性能預報等。下面主要對加裝FSD前后的艉部流場進行對比分析，探索FSD對螺旋槳工作區域流場的影響，分析FSD的節能機理。

5.1 標稱伴流場分析

5.1.1標稱伴流場數值計算結果與模型試驗結果比較

數值計算得到的船舶光體情況下的槳盤面軸向伴流分數分布云圖與模型試驗結果比較見圖7，軸向伴流分數和切向伴流分數在不同半徑處沿周向分布曲線數值計算結果與模型試驗結果比較見圖8。由圖7可知：CFD計算結果與試驗結果基本一致，高伴流分數的分布與旋渦位置能一一對應;在上方的復雜伴流區域，伴流分數的梯度變化形式較為接近。由圖8可知：在0.4R、0.7R、0.9R和1.0R等半徑處，伴流分布計算結果與模型試驗結果在量值上相當接近。分析結果顯示，本文采用的數值計算方法能很好地捕捉到螺旋槳盤面伴流分布的形態特征，CFD計算方法是可行的，且計算結果能滿足艉流場定性和定量分析的需要。

a) 光體-CFD

圖8 槳盤面標稱伴流分數計算結果與試驗結果比較

5.1.2FSD對標稱伴流場影響分析

為分析前置導管節能機理，從微觀流場方面分析船舶加裝導管前后槳盤面標稱伴流場的變化。數值計算得到的加裝前置導管前后槳盤面標稱伴流分數分布云圖和沿周向分布曲線圖分別見圖9和圖10。對比加裝導管前后的伴流差別可看出，在加裝前置導管之后，槳盤面上半區域(即前置導管作用區域)的水流速度有不同程度的下降，即伴流分數增大，盤面上半部伴流相比無導管時有所增加，尤其是0°～60°和300°～360°內伴流分數值變化最明顯，且:由于導管左右后傾角度不同，盤面內伴流同樣呈現左右舷不對稱的特征；由于右側導管相比左側后傾角度更大，使得盤面對應右半部分相比左側伴流增加區域更大。伴流分數增大這一現象可在模型試驗的實效伴流試驗結果中充分體現，船模加裝前置導管前后的實效伴流模型試驗結果見表7。由圖9可知：槳盤面上方區域大部分區域的等值線變得相對平緩，軸向伴流的均勻性得到改善。

a) 光體-CFD

圖10 槳盤面軸向伴流分數周向分布圖

表7 加裝導管前后船模實效伴流模型試驗結果比較

加裝FSD前后，槳盤面不同半徑處軸向伴流分數面積平均值見表8。一般對于螺旋槳性能而言，0.7R附近的流場條件對螺旋槳效率的影響作用更關鍵。由表8可知:FSD對槳盤面內不同半徑處的軸向伴流分數均有不同程度的增加，0.7R～0.9R處的增加量相對更大一些，說明該船導管設計方案更能影響到關鍵流場區域伴流，更能發揮導管的整流作用。

表8 槳盤面不同半徑處軸向伴流分數平均值

船模加裝FSD前后其槳盤面切向伴流分布情況分別見圖11和圖12。由圖11和圖12可知:槳盤面上方的旋渦明顯減小，槳盤面的0°位置附近的向下速度分量得到明顯遏制，且產生非對稱的左旋水流起到預旋的作用。從整個槳盤面看，水流的橫向誘導速度明顯下降，前置導管減少尾流的旋轉能量損失。

圖11 槳盤面軸向切向分數周向分布圖

圖12 槳盤面軸向伴流分數周向分布圖

對槳盤面內切向伴流進行面積積分，得到槳盤面內切向伴流面積平均值表9。由于船體是左右對稱的，因此不帶FSD時船體槳盤面切向速度積分為零。加裝FSD之后，槳盤面的切向伴流積分結果為負數，即盤面內切向流動整體上與螺旋槳的旋轉方向(順時針方向)相反，根據螺旋槳理論，這種切向速度的存在有利于提高螺旋槳的推進效率，不僅是整流導管起到節能增效作用的一個重要原因，也是整流導管不對稱設計對流場帶來的有利影響作用。

表9 槳盤面內切向伴流平均值

5.2 實效伴流場分析

自航數值計算得到的槳盤面前方軸向伴流分數分布和切向伴流分數分布分別見圖13和圖14;對速度剖面內軸向伴流和切向伴流進行面積積分，結果見表10。由圖13和圖14所知:槳的存在使得槳盤面內伴流失去了左右對稱性的特征，由于槳的抽吸作用，軸向伴流相比標稱伴流場明顯減小。FSD的存在從一定程度上增加了槳前盤面內的軸向伴流分數，同時改變了槳前切向速度的方向(呈現出與槳旋轉方向相反的切向速度)，根據螺旋槳相關理論，這種變化會提高螺旋槳的推進效率。同時，對槳后速度剖面內伴流的積分結果顯示，在加裝FSD之后，槳后切向速度變小，說明旋轉能量損失變小，FSD會減少軸向伴流損失和旋轉能量損失。

a) 光體

a) 光體

表10 槳盤面內切向伴流平均值

自航數值計算得到的槳盤面前方橫向速度矢量分布見圖15。由圖15可知，加裝附體之后盤面內的渦旋流動有所減小，12點鐘方向向下的一股水流強度減弱，2點鐘方向橫向的渦旋流動比無導管情況下的強度弱、范圍小，加裝整流導管之后流場的變化更有利于螺旋槳的穩定工作。

a) 無導管

6 結束語

本文以數值計算方法為研究手段，對船舶加裝整流導管前后水動力性能進行數值計算，通過深入分析FSD對船舶阻力性能、艉部流場以及船后螺旋槳水動力特性等影響，分析導管的節能機理，得出以下主要結論：

1) 該研究采用的計算方法對于船模阻力、船模標稱伴流場等數值預報精度，基本達到工程應用精度要求。

2) 研究對船舶在加裝前置導管前后自航性能開展數值計算分析，采用ITTC推薦規程對自航計算結果進行分析，預報前置導管的節能效果。分析結果顯示：本船加裝FSD具有一定的節能效果，模型尺度下，數值計算與模型試驗顯示的推進效率提升分別為4.12%和5.80%。同時，本船同類型姊妹船實船試航結果顯示節能效果為4.40%，可見采用的CFD評估方法具有一定的精度和可靠性，可作為節能附體能效數值評估的有效工具。

3) 數值計算結果分析顯示:本文采用的FSD對船模阻力性能的影響較小，導管的存在改變了螺旋槳的進流場，導管周圍的水流速度減慢，導致螺旋槳盤面處的伴流增大，同時使進流趨向均勻，從而提高螺旋槳推進效率。

4) 導管的存在對于船舶艉部舭渦和盤面內不利的橫向流動具有抑制作用，槳盤面的0°位置附近的向下的速度分量得到明顯遏制，并產生非對稱的左旋水流，起到預旋作用，從整個槳盤面看，水流的橫向誘導速度明顯下降，前置導管降低尾流的旋轉能量損失，這是船舶推進效率提升的原因之一。

5) 對船舶伴流場試驗驗證，僅開展標稱伴流場模型試驗，并針對船舶加裝附體情況下的標稱伴流場和船舶實效伴流場等開展試驗分析，未來的研究會考慮對這2方面內容作進一步的研究。