基于CFD 仿真與水池實驗的郵輪吊艙推進器模型敞水特性研究

趙 鵬，陳建勇，張 聰，周新聰，歐陽武，肖仲歧

(1.武漢理工大學 能源與動力工程學院，湖北 武漢 430063；2.船舶動力工程技術交通行業重點實驗室，湖北 武漢 430063；3.國家水運安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430063；4.中國郵輪科技發展有限公司，上海 200137)

0 引 言

作為新型船舶電力推進系統，該吊艙式推進器由螺旋槳和能夠360°全旋轉的吊艙組成，也包括導管、支架、鰭等部件[1–2]。吊艙推進器主要由艙體，支柱和螺旋槳組成，不需要軸系和舵，將推進系統和控制系統集成在一起[3]。其水動力性能不同于傳統螺旋槳，但螺旋槳仍然是主要的推力和扭矩消耗部件，然而在大多數工作條件下，機艙和支柱等非旋轉結構部件表現出阻力，這將在一定程度上降低螺旋槳本身的敞水效率[4]。因此，有必要考慮吊艙推進器與常規螺旋槳在敞水效率上的差異。對于郵輪行業來說，卓越的推進效率是郵輪航行經濟的保障，并且良好的預測吊艙推進器的性能可以減少設計中不必要的經濟損失。本文利用Starccm+模擬了一種郵輪拖式吊艙推進器模型的敞水效率，并通過分析吊艙推進器的推進系數、扭矩系數以及推進效率的仿真結果，得到1 號螺旋槳敞水性能規律，并通過模型實驗方法驗證數值模擬結果，然后優化吊艙螺旋槳的螺距得到2 號螺旋槳[5–6]，并采用與1 號螺旋槳相同方法進行預測。之后，通過2 個吊艙模型的仿真及實驗結果，分析吊艙對螺旋槳的影響，并對裝配不同螺距的螺旋槳吊艙模型的測試結果進行分析。

1 數值模擬與模型實驗

1.1 數值模擬方法

考慮粘度理論的數值計算方法主要包括：雷諾平均Navier-Stokes 模擬（RANS）[7]、大渦模擬（LES）[8]和分離渦模擬（DES）[9]。在這些方法中，RANS 方法由于其計算效率而最受歡迎。本文基于RANS 方法研究吊艙推進器的敞水性能。RANS 方法的基本思想是對控制方程中的物理量進行時間平均，以便將最初包含瞬態物理量的控制方程轉換為關于時間平均物理量的控制方程：

1.2 旋轉運動處理方法

本文采用MRF 模型進行區域劃分[11]。當基于CFD方法進行吊艙推進器數值模擬時，整個計算域將涉及靜止、旋轉和平移等運動模式。因此，有必要考慮推進器各部件和流場各自的運動形式，并根據具體的運動條件采用不同的運動處理方法。MRF 是一種穩態近似過程，具有較高的計算效率，廣泛應用于常規螺旋槳敞水性能的計算。因此，利用MRF 模型對吊艙推進器進行敞水試驗，可以利用有限的計算資源進行良好模擬。

1.3 幾何模型和預處理

根據吊艙推進器的類型，在Soildworks 中建模，形成的幾何模型如圖1 所示。在直角坐標系下建立吊艙推進器模型，直角坐標系原點在螺旋槳中心，X軸為旋轉軸，X軸正方向為水流方向，Z軸正方向為吊艙推進器支柱，Y軸遵循右手法則。吊艙推進器的螺旋槳為右旋螺旋槳。流場采用半徑為3.5D的圓柱形流場。計算域與螺旋槳同軸，分為靜態域和旋轉域。靜止域入口距螺旋槳中心5D處，設為速度入口，靜止域出口距螺旋槳中心8D處，設為壓力出口。計算域劃分如圖2 所示。

圖1 吊艙推進器的三維模型Fig.1 Three-dimensional model of Pod thruster

圖2 計算域劃分Fig.2 Computational domain division

1.4 網格密度和計算條件設置

為了探討網格密度對數值計算精度的影響，采用3 種不同的密度網格進行比較和分析，設置網格參考值為X，用除數1.5 來增大網格參考值，然后生成3 組細，中，粗網格。網格密度用A，B，C表示，具體網格參數見表1,不同網格密度下吊艙推進器的敞水效率如圖3 所示。

表1 計算吊艙推進器敞水效率的3 組不同密度網格Tab.1 Three groups of grids with different density for calculating open water efficiency of Pod thruster

可見，3 組不同密度的網格在計算吊艙推進器敞水效率時隨著網格的加密，計算得出的吊艙推進器敞水水效率將越精確。為了節約計算資源，并保證數值模擬的準確性，根據圖3 將選擇B組網格。網格的劃分主要分為靜態域、旋轉域，對螺旋槳葉片、輪廓線、鰭、吊艙臂、支架等關鍵部件進行網格加密處理，保證仿真效果。其中，靜態域中的網格數為43.88 萬，旋轉域中的網格數為38.06 萬。靜止域壁面邊界設為對稱邊界，吊艙推進器每個部件的壁面邊界條件都設置為無滑移壁面，靜止域和旋轉域通過設置交界面進行數據交換[12]。近壁面采用壁面函數法，用棱柱層模擬邊界層，保證Y+保證在30～300 以更好模擬邊界層內部的流動。

圖3 不同密度網格吊艙推進器的敞水效率Fig.3 Open water efficiency of different density grid pod thrusters

網格劃分后，對推力以及扭矩設置監控，并創建推進系數，扭矩系數，敞水效率報告。通過改變流速得到進速系數的變化，進速系數J的計算范圍為0～1.05。

1.5 模型測試

在SSSRI 拖艙中進行吊艙推進器的敞水試驗。主要實驗設備為Z 型自航儀，是一種可用于吊艙推進器敞水實驗的新型試驗裝置。包括一根垂直傳動軸，它通過個正交齒輪箱或傳動帶與螺旋槳的推力軸、動力儀及吊艙相連動力儀安裝在推力軸線上，用于螺旋槳推力及扭矩的測量，推力平衡裝置安裝于傳動軸的頂端，用于整個吊艙推進器單元推力的測量。其主要設備示意圖如圖7 所示。

吊艙艙體安裝在Z型自航儀外側，螺旋槳模型安裝在自航儀水平驅動軸上，槳軸浸深大于1.5 倍槳模直徑。Z 型自航儀豎直軸連接于六分力天平，吊艙艙體與六分力天平間放置吊艙敞水過渡段。

圖4 吊艙推進器表面網格Fig.4 Surface grid of pod thruster

圖5 特殊區域加密設置Fig.5 Special area encryption settings

圖6 吊艙推進器表面Y+Fig.6 Pod thruster surface Y+

圖7 Z 型自航儀原理圖Fig.7 Schematic diagram of Z-type self-propelled instrument

敞水試驗通常保持轉速不變，通過改變進速來改變載荷。當量程達到極限時（如進速系數J接近于0）或者拖車速度達到極限時（如高的進速系數），轉速也可以改變。

通過在敞水試驗中測量各車速V和轉速N下的螺旋槳推力TP、推進單元的推力Tu和螺旋槳轉矩Q。計算螺旋槳敞水特性公式如下[13]：

2 數值和實驗結果分析

2.1 裝配1 號螺旋槳的吊艙推進器模型的仿真和試驗

吊艙推進仿真計算采用與試驗相同的轉速，表2 為吊艙推進器使用的螺旋槳1 的主要參數。

表2 裝配1 號螺旋槳的吊艙推進器基本參數Tab.2 Basic parameters of the Pod thruster equipped with No.1 propeller

其中1 號螺旋槳各半徑螺距比如表3 所示。

表3 1 號螺旋槳各半徑螺距比Tab.3 Ratio of pitch to radius of propeller 1

根據上述仿真方法，模擬J=0～1.05 的敞水性能，每隔0.05 為一個工況，每個工況進行500 步計算。計算出的吊艙推進器推進系數、螺旋槳扭矩系數和吊艙推進器推進效率如表4 所示。

表4 裝配1 號螺旋槳的吊艙推進器數值模擬敞水性能Tab.4 Numerical simulation open water performance of the Pod thruster with No.1 propeller

為了保證吊艙推進器模型試驗數據的準確性，對吊艙推進器模型進行了3 次敞水實驗，并對3 次實驗所得數據求其平均值。得到的螺旋槳推進系數、吊艙推進器推進系數、螺旋槳扭矩系數、螺旋槳敞水效率以及吊艙推進器敞水效率測試數據如表5 所示。

表5 裝配1 號螺旋槳的吊艙推進器水池實驗敞水性能Tab.5 The open water performance of the Pod thruster with No.1 propeller of pool test

將仿真與實驗所獲得數據進行對比發現數值模擬基本可以反應吊艙推進器的敞水性能，如圖8 所示。

2.2 裝配2 號螺旋槳的吊艙推進器模型的仿真和試驗

根據裝配2 號螺旋槳的吊艙推進器模型的數值模擬和實驗結果，對螺旋槳來說就是要使其推進效率達到最佳。螺旋槳的效率是由其推力系數和轉矩系數決定的，而推力系數和轉矩系數取決于槳葉上的環量分布，因此推進效率最終取決于槳葉環量分布[14]。根據給定的功率、轉速、航速、直徑等設計條件，采取求最佳環量分布，然后根據環量分布來確定所需要的螺距，此時也可稱為最佳螺距分布型式。螺旋槳優化后吊艙推進器基本參數如表6 所示。

表6 裝配2 號螺旋槳的吊艙推進器基本參數Tab.6 Basic parameters of the Pod thruster equipped with No.2 propeller

其中2 號螺旋槳各半徑螺距比如表7 所示。

表7 2 號螺旋槳各半徑螺距比Tab.7 Ratio of pitch to radius of propeller 2

通過對裝配2 號螺旋槳吊艙推進器的數值模擬，模擬J=0～1.05 的敞水性能，每隔0.05 為一個工況，每個工況進行500 步計算。計算出的吊艙推進器推進系數、螺旋槳扭矩系數和吊艙推進器推進效率如表7 所示。

如圖9 所示，將仿真與實驗所獲得數據進行對比發現數值模擬基本可以反映吊艙推進器的敞水性。由圖8 和圖9 可知，螺旋槳的推力系數和扭矩系數誤差很小，仿真結果基本能反映試驗結果。但是通過對比表4 與表5，表8 與表9，吊艙推進器的敞水效率ETA 曲線可以清楚地反映出，隨著J越大，模擬結果和測試結果之間的差異越大。這主要是因為隨著J 越來越大，扭矩和推力系數則越來越小。根據推進效率公式當J=1.05 時，KT值小于0.1，KQ值也小于0.02，所以仿真和實驗中即便是非常小的誤差也會被幾何倍數放大。但是通過數據以及敞水效率曲線可以發現敞水效率值在J=0.8～0.9 范圍最大，數值模擬可以反映實際情況。

圖9 裝配2 號螺旋槳的吊艙推進器敞水性能曲線Fig.9 Open water performance curve of the Pod thruster equipped with No.2 propeller

表8 裝配2 號螺旋槳的吊艙推進器數值模擬敞水性能Tab.8 Numerical simulation open water performance of the Pod thruster with No.2 propeller

表9 裝配2 號螺旋槳的吊艙推進器水池實驗敞水性能Tab.9 The open water performance of the Pod thruster with No.2 propeller of pool test

3 仿真與實驗結果分析

根據以往的模擬結果和試驗結果，當J=0.8～0.9 時，裝配2 個不同螺旋槳的吊艙推進器的敞水效率值最大。本文給出J=0.8 時2 類吊艙推進器的速度分布和壓力分布圖，如圖10～圖13 所示。

圖10 1 號螺旋槳J=0.8 y=0 速度剖面圖Fig.10 Speed profile of No.1 Propeller J=0.8,y=0.

圖11 1 號螺旋槳J=0.8 y=0 壓力云圖Fig.11 Pressure cloud diagram of No.1 propeller J=0.8,y=0

圖12 2 號螺旋槳J=0.8,y=0 速度剖面圖.Fig.12 Speed profile of No.2 Propeller J=0.8,y=0.

圖13 2 號螺旋槳J=0.8,y=0 壓力云圖Fig.13 Pressure cloud diagram of No.propeller J=0.8,y=0

從兩者的速度剖面圖來看，吊艙推進器的推進效率受到非旋轉部件的影響。非旋轉部件周圍速度場的速度再下降。從壓力分布圖可以看出，螺旋槳一側吊艙體的壁面的壓力較大，吊艙體產生一定的阻力，將影響推進效率。

也可以通過圖14 反映出吊艙推進器的非旋轉部件一定程度上是對螺旋槳敞水效率的損耗。

圖14 兩個螺旋槳敞水效率與吊艙推進器單元敞水效率對比曲線Fig.14 Comparison curve of open water efficiency of two propellers and open water efficiency of pod thruster unit

根據試驗數據反映的吊艙推進器敞水特性曲線（見圖15）可以看出，裝配經過優化的2 號螺旋槳的吊艙推進器的敞水效率可提高4.23%.。擁有最有環形分布的2 號螺旋槳的吊艙推進器具有更加良好的敞水性能。

圖15 吊艙推進器敞水性能曲線Fig.15 Open water performance curve of pod thruster

4 結 語

1）通過Starccm 模擬計算可以很好地預測吊艙推進器的敞水性能。通過仿真結果與模型測試結果的比較，仿真結果與測試結果在誤差范圍內一致。當正向速度系數J相對較大時，雖然仿真計算的效率可能存在偏差，但仿真結果仍能反映出吊艙推進器的敞水效率。

2）由于吊艙推進器非旋轉部件的阻力，吊艙推進器的敞水效率有一定的損失，因此應著力于對吊艙體與支架的流線型設計，減少吊艙推進器非轉動部件阻力影響。

3）基于裝配1 號螺旋槳的吊艙推進器的敞水性能，通過求出最佳環量分布，然后基于環量分布來確定所需要的螺距，優化得到的最佳螺距分布型式的2 號螺旋槳對比1 號螺旋槳的敞水效率將提高4.23%。

4）在實際船舶設計，或者改造時，根據最佳環量分布來確定的螺距，可有效的優化螺距，從而有效的提升吊艙推進器的敞水性能。