耙吸式挖泥船螺旋槳水動力性能分析

周丙浩，焦 鵬，馬 勇

(1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中山大學，廣州 510275)

圖1 可調螺距螺旋槳Fig.1 Controllable pitch propeller

隨著疏浚行業的不斷發展，推進系統在工程船舶施工效率方面的作用日益為人們所重視。推進系統不僅直接關系到船舶的燃料消耗，還影響施工船舶的施工效率。耙吸挖泥船對地航速直接影響耙頭的挖掘效率。目前，對各種工程條件、航道現狀情況都有詳細的實測與計算對比分析，對航道選線、整治思路等相關航道整治問題研究較多[1-2]；原槳的CFD模擬計算、船舶縱傾與斜傾對槳葉性能的影響、三葉片螺旋槳的敞水性能曲線和效率成分預報、四葉片螺旋槳(如圖1所示)性能研究等計算方法也相對成熟[3-6]。但對于施工船舶推進性能的研究相對較少，本文針對自航耙吸式挖泥船方型系數高、挖泥阻力大的特點，對不同葉片數和不同進速系數下挖泥船螺旋槳的推進性能進行了研究，為施工和設計提供參考。

1 計算理論

根據開爾文假定[7]，通過控制點處的法向速度為零，得到如下方程

(1)

根據Shiba[8]的韋伯數臨界值理論[8]，本文案例中韋伯數Wn>180，將表征螺旋槳水動力特性的參數以無量綱的形式定義，如表1所示。

表1 螺旋槳水動力特性參數表Tab.1 Hydrodynamic characteristic parameter of propeller

表1中，D為螺旋槳直徑；n為螺旋槳轉速；VS為進水速度；ρ為流體的密度；T為推力；Q為轉矩。

空氣和水兩相流模型，采用有限體積法(FVM)求解積分形式的動量方程，使用隱式歐拉格式進行時間離散。出口處梯度條件為強迫壓力，螺旋槳表面為無滑移條件的壁面函數。動量守恒幀描述如下

(2)

流體體積(VOF)模型

(3)

圖2 水動力模型圖Fig.2 Hydrodynamic model diagram

2 計算模型及工況

2.1 模型參數

本文針對耙吸挖泥船定螺距螺旋槳FPP，工作轉速155 rpm，建立螺旋槳水動力模型，如圖2所示，螺旋槳直徑D=0.48 m，螺旋槳轉速n=16.232 rad/s ，流體密度ρ=1.002 5 t/m3(取自長江水域流體密度)，旋轉軸(0，0，1 m)，入口方向(0，0，-0.796 m)，V2為旋轉域，旋轉域直徑為0.5 m，母線長0.6 m，V3為流場域，流場域直徑為2 m，母線長2.5 m，w為螺旋槳旋轉方向；左側為流場域入口，右側為流場域出口。

圖3 計算模型圖Fig.3 Computational model diagram

商用軟件ANSYS-FLUENT具有功能完備、計算精度高、界面友好等優點，常用于計算船舶水動力學性能相關的問題， 本文基于exceed運用GAMBIT軟件對螺旋槳水動力模型進行網格劃分。如圖3所示為計算模型圖，三葉螺旋槳旋轉域網格大小為10 mm，網格數為180 587，流場域網格大小為50 mm，網格數為 208 572；四葉螺旋槳旋轉域網格大小為8 mm，網格數為315 713，流場域網格大小為40 mm，網格數為362 946。

2.2 計算工況

本文以可調螺距螺旋槳為對象，構建參數化的水動力計算方案，以進速系數J、螺旋槳葉片數K為主要計算變量，以推進系數、葉片吸力面和壓力面的靜壓、總壓為評定指標。進速系數J取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7七組數據；螺旋槳葉片數K取3和4兩種，在進速系數和葉片數的組合工況下對各工況的推力系數、效率、葉片吸力面和壓力面的靜壓、總壓進行對比分析。

表2 進速系數與速度轉換表Tab.2 Speed Coefficient and speed conversion

3 結果與分析

3.1 數據處理

根據進速系數公式J=Vs/(nD)，本文所選取的進速系數與速度的對應關系如表2所示。

基于GAMBIT所建立的水動力模型，本文利用ANSYS-FLUENT計算在J=0.1～0.7時兩種不同葉片數螺旋槳的KT、η(分別為推力系數和效率)，如圖4所示為進速系數與推力系數、效率的關系曲線圖。

圖4 螺旋槳進速系數J與KT、η的關系曲線圖Fig.4 Relation curve of propeller speed coefficient J with KT and η

如圖4所示，隨著進速系數的增加，推力系數呈波動性變化；三葉螺旋槳的推力系數曲線呈先減小后增大的趨勢，而四葉螺旋槳的推力系數曲線與之相反，呈先增大后減小的趨勢；總體上，同等進速系數下，四葉螺旋槳的推力系數大于三葉螺旋槳的推力系數。三葉螺旋槳與四葉螺旋槳的推進效率曲線都呈先增大后減小趨勢，四葉螺旋槳的推進效率基本優于三葉螺旋槳。綜上，四葉螺旋槳的推進性能更優。

3.2 進速系數影響分析

由于結果的相似性，本文以進速系數為0.5和0.7時三葉螺旋槳的葉片表面壓力云圖為例，對比分析不同進速系數下槳葉表面的壓力分布情況。

5-a J=0.5時螺旋槳葉片吸力面靜壓分布圖5-b J=0.5時螺旋槳葉片壓力面靜壓分布圖5-c J=0.7時螺旋槳葉片吸力面靜壓分布圖5-d J=0.7時螺旋槳葉片壓力面靜壓分布圖

5-e J=0.5時螺旋槳葉片吸力面總壓分布圖5-f J=0.5時螺旋槳葉片壓力面總壓分布圖5-g J=0.7時螺旋槳葉片吸力面總壓分布圖5-h J=0.7時螺旋槳葉片壓力面總壓分布圖圖5 不同進速系數下三葉螺旋槳葉片表面壓力云圖Fig.5 Surface pressure nephogram of three-blade propeller blade with different advance coefficients

如圖5所示，葉片壓力面靜壓和總壓總體大于葉片吸力面的靜壓和總壓；葉片壓力面的壓力分布層次較吸力面密集；葉片吸力面和壓力面的總壓分布層次較靜壓密集；越靠近葉片前邊緣，葉片表面壓力越大且出現高壓密集區域，最高可達1.85×104N；越遠離葉片前邊緣，葉片表面壓力分布越稀疏分明，出現低壓區域；隨著進速系數的增加，葉片表面靜壓和總壓變大，壓力分布層次也更為密集；根據進速系數公式J=Vs/nD，在螺旋槳直徑D、螺旋槳轉速n為定值的條件下，進速系數越大，流速越大，葉片承載的壓力增加，且均滿足安全性要求。

3.3 葉片數影響分析

由于結果的相似性，本文以進速系數為0.4時三葉螺旋槳和四葉螺旋槳的葉片表面壓力云圖為例，對比分析不同螺旋槳葉片數下槳葉表面的壓力分布情況(bar)。

如圖6所示，三葉螺旋槳和四葉螺旋槳的葉片壓力面靜壓和總壓均較吸力面大，且葉片壓力面的壓力分布層次較吸力面密集，葉片吸力面和壓力面的總壓分布層次較靜壓密集，葉片前邊緣表面壓力最大且出現高壓密集區域，最高可達2.10×104N，以上規律不受葉片數變化的影響。與三葉螺旋槳相比，相同進速系數下四葉螺旋槳的葉片表面壓力更大，分布層次更密集，這是由于四葉螺旋槳的葉片間距小于三葉螺旋槳的葉片間距，葉片間距越小，越不容易產生空泡、氣泡現象，空泡性能越好，推進效率越高；綜上，四葉螺旋槳的推進性能優于三葉螺旋槳的推進性能，且均滿足安全性要求。

6-a 三葉螺旋槳葉片吸力面靜壓分布圖6-b 三葉螺旋槳葉片壓力面靜壓分布圖6-c 四葉螺旋槳葉片吸力面靜壓分布圖6-d 四葉螺旋槳葉片壓力面靜壓分布圖

6-e 三葉螺旋槳葉片吸力面總壓分布圖6-f 三葉螺旋槳葉片壓力面總壓分布圖6-g 四葉螺旋槳葉片吸力面總壓分布圖6-h 四葉螺旋槳葉片壓力面總壓分布圖圖6 J=0.4時不同葉片數螺旋槳葉片表面壓力云圖Fig.6 Surface pressure nephogram of propeller blades with different blade numbers at J=0.4

4 結論

本文通過商業軟件ANSYS-FLUENT對不同葉片數的螺旋槳在不同推進系數下的水動力性能進行了數值模擬，計算了三葉螺旋槳和四葉螺旋槳在不同進速系數下的推力和推力系數，對比分析了葉片表面壓力的分布情況和螺旋槳推進效率的影響因素。結果表明：葉片數是影響螺旋槳推進效率的重要因素，進速系數是影響葉片表面壓力分布情況的重要因素；葉片壓力面靜壓和總壓均較吸力面大，葉片壓力面的壓力分布層次較吸力面密集，葉片吸力面和壓力面的總壓分布層次較靜壓密集，葉片前邊緣表面壓力最大且出現高壓密集區域，且以上規律不受葉片數變化的影響；隨著進速系數的增加，葉片表面承載的壓力增大，壓力分布層次更密集，推力系數曲線呈波動性變化，推進效率曲線呈先增大后減小趨勢；與三葉螺旋槳相比，四葉螺旋槳的葉片間距離較小，空泡性能更好，相同進速系數下四葉螺旋槳的葉片表面承載壓力更大，推力系數和效率更高，適用于方型系數高、挖泥阻力大的耙吸式挖泥船。