新型震蕩水翼應(yīng)用于實(shí)船的推進(jìn)性能研究

劉佳明，呂峰，杜易洋，張沖

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100；2.中國(guó)船舶集團(tuán)有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引言

船舶在海上航行時(shí)大多處于波浪海況，波浪的存在不僅會(huì)使船舶的航行阻力增加約15%～30%，航行過(guò)程中產(chǎn)生的劇烈搖晃還會(huì)導(dǎo)致螺旋槳失速。在船體安裝合適的輔助推進(jìn)裝置可以有效降低波浪對(duì)船舶航行的干擾，提高船舶推進(jìn)效率。震蕩水翼能夠?qū)⒉ɡ四苻D(zhuǎn)化為動(dòng)能，分為主動(dòng)式和被動(dòng)式2 種，是船用助推裝置中較為常見(jiàn)的形式[1–3]。本文研究的意義在于，以現(xiàn)有的震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置為基礎(chǔ)，提出一種能夠有效改善船舶推進(jìn)性能的新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置，為波浪能助推領(lǐng)域的研究提供更多理論參考。

傳統(tǒng)的被動(dòng)式震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置主要存在以下不足：

1）為確保水翼處于波谷時(shí)仍可正常工作，傳統(tǒng)水翼一般安裝在自由液面以下較深的位置。但波浪能隨深度的增加呈指數(shù)下降，即震蕩水翼提供的推進(jìn)效率較低。

2）傳統(tǒng)水翼在大角度震蕩時(shí)，表面易發(fā)生渦脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致水翼周?chē)囊徊糠植ɡ四茈S脫落的渦一同消失。可轉(zhuǎn)化為動(dòng)能的波浪能減少，即震蕩水翼產(chǎn)生的推力降低。

針對(duì)以上不足，分別采取以下2 個(gè)措施進(jìn)行改良：

1）將水翼與可自由沉浮的浮子相連，在確保水翼位于液面以下的同時(shí)，減小水翼的深度，采集更多的波浪能。

2）在傳統(tǒng)水翼前緣，等間距地增加凸起，用以減少大角度震蕩時(shí)水翼表面的渦脫落，提高水翼所能產(chǎn)生的動(dòng)能。

綜合以上兩點(diǎn)措施，提出如圖1 所示的新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置，并將其安裝在大型集裝箱船（KCS）船首兩側(cè)，如圖2 所示。

圖1 新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置Fig.1 New shock hydrofoil auxiliary propulsion device

圖2 安裝裝置后的船模Fig.2 Ship model after installation of device

1 三維數(shù)值波浪水池

1.1 設(shè)置計(jì)算域

本文選用KCS 作為數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)的船型，以其垂線間長(zhǎng)LP P為基準(zhǔn)，在KCS 船模周?chē)⒊叽鐬?LPP×4LPP×3LPP的計(jì)算域。船首前方2LPP設(shè)為計(jì)算域入口，水深設(shè)為2LPP，船尾后方3LPP設(shè)為出口，并將出口1.5 倍波長(zhǎng)區(qū)域設(shè)為消波區(qū)域。

根據(jù)上述尺寸設(shè)定，建立計(jì)算所需的三維數(shù)值波浪水池，如圖3 所示。

圖3 波浪水池Fig.3 Wave tank

在距離三維數(shù)值波浪水池底部2LPP的高度設(shè)置自由液面，將計(jì)算域劃分為空氣和水2 種介質(zhì)，并設(shè)置波浪的傳播方向?yàn)閄 軸負(fù)向，如圖4 所示。

圖4 自由液面Fig.4 Free liquid surface

1.2 造波與消波

位于自由表面的液體，局部質(zhì)點(diǎn)受風(fēng)力等外界因素的擾動(dòng)，離開(kāi)原來(lái)的平衡位置作周期性上下起伏運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)向周?chē)鷤鞑ィ瑥亩鹆瞬ɡ说漠a(chǎn)生。在CFD 數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)中，常用的數(shù)值造波法通常有3 種：直接輸入法，仿物理造波法和源造波法。本文在計(jì)算域入口處選用最易仿真模擬同時(shí)具有較高精度的直接輸入法來(lái)構(gòu)造本文所需的一階線性規(guī)則波，如圖5 所示。

圖5 一階線性規(guī)則波Fig.5 A linear regular wave

為了預(yù)防因數(shù)值耗散導(dǎo)致的波浪幅值衰減，在模擬船舶航行狀態(tài)之前，先對(duì)波浪的生成與傳播進(jìn)行模擬。自由液面附近的網(wǎng)格如圖6 所示。

圖6 自由液面的網(wǎng)格Fig.6 Free liquid surface meshing

以波長(zhǎng)6.4 m的入射波為例，通過(guò)浪高儀可以得到波長(zhǎng)6.4 m的一階線性規(guī)則波波高時(shí)歷圖，如圖7 所示。由圖可得，由直接輸入法構(gòu)造的一階線性規(guī)則波與通過(guò)Stokes 理論得到的波基本一致，即說(shuō)明了在三維數(shù)值波浪水池中運(yùn)用直接輸入法構(gòu)造一階線性規(guī)則波的適用性與準(zhǔn)確性。

圖7 λ=6.4的波高時(shí)歷曲線Fig.7 The time history of wave height at λ=6.4

在三維數(shù)值水池出口處的消波區(qū)域中加入人工阻尼進(jìn)行強(qiáng)制消波，即對(duì)流體質(zhì)點(diǎn)在垂直方向的運(yùn)動(dòng)做強(qiáng)制衰減，能夠有效減小波浪在到達(dá)出口處反射對(duì)計(jì)算區(qū)域造成的影響，從而起到降低計(jì)算誤差的效果。人工阻尼強(qiáng)制消波的衰減公式為：

式中：wr(x,y,z;t)為經(jīng)過(guò)人工阻尼后流體質(zhì)點(diǎn)在垂直方向上的速度；η(x,z)為人工阻尼強(qiáng)制消波的衰減函數(shù)；s，e分別為消波區(qū)域的起點(diǎn)和終點(diǎn)在x方向上的坐標(biāo)；f，b分別為自由液面和水池底部在z方向上的坐標(biāo)；τ為控制參數(shù)。

由于三維數(shù)值水池出口處消波區(qū)域的存在，自由液面在靠近出口處的波面逐漸趨于平靜。達(dá)到穩(wěn)定后自由液面的波形圖如圖8 所示。

圖8 自由波面波形圖Fig.8 Free wavefront waveform

1.3 新型震蕩水翼與船舶的耦合

新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置與KCS 耦合，裝置中水翼的升沉運(yùn)動(dòng)完全跟隨船體變化，縱搖運(yùn)動(dòng)則只受浮子影響。由此建立船、翼耦合后的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，如圖9 所示。

圖9 船翼耦合后的坐標(biāo)系Fig.9 Coordinate systems of the coupled model

圖中設(shè)立了OsXsYsZs構(gòu)成的船舶運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系以及Of Xf Yf Zf構(gòu)成的水翼運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。過(guò)船舶重心的垂線與水面的交點(diǎn)為 (i,j=3,5)，船舶縱搖運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸為ys，水翼縱搖運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸為Yf，船舶與水翼作升沉運(yùn)動(dòng)的方向同為Zf，兩坐標(biāo)系原點(diǎn)Os與Of間水平距離為xb。由此可得船舶與水翼的耦合運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：M為船體的質(zhì)量；Aij為船舶的附加質(zhì)量；Bi j為船舶的阻尼系數(shù)；Cij為船舶的恢復(fù)系數(shù)；Iyy為船舶縱向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，下標(biāo) (i,j=3,5)分別為升沉與縱搖模態(tài)；Fj，Mj分別為船舶受到的波浪力與轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；Lf，Mf分別為水翼受到的升力和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

2 網(wǎng)格劃分

2.1 重疊網(wǎng)格技術(shù)

重疊網(wǎng)格技術(shù)[4–6]指將計(jì)算域劃分為2 個(gè)或2 個(gè)以上的子域，通過(guò)子域的運(yùn)動(dòng)來(lái)模擬邊界之間的相對(duì)移動(dòng)。這些子域和背景區(qū)域在空間上重疊，經(jīng)過(guò)挖洞處理后，非計(jì)算域的網(wǎng)格不參與仿真計(jì)算，重疊區(qū)域的網(wǎng)格通過(guò)建立插值關(guān)系來(lái)交換流場(chǎng)信息。一般情況下，自由液面處和船體周?chē)鹊木W(wǎng)格對(duì)模擬船舶航行姿態(tài)的影響較大，所以對(duì)這些區(qū)域的網(wǎng)格作局部加密。

2.2 滑移網(wǎng)格技術(shù)

滑移網(wǎng)格技術(shù)[7–8]涉及2 個(gè)或2 個(gè)以上的計(jì)算區(qū)域，相鄰的計(jì)算區(qū)間都存在至少1 個(gè)分界面。在計(jì)算過(guò)程中，相鄰計(jì)算區(qū)域間沿網(wǎng)格分界面作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，并借助提前設(shè)置的邊界條件實(shí)現(xiàn)區(qū)域與區(qū)域間的流場(chǎng)信息交換。在處理螺旋槳的相關(guān)問(wèn)題時(shí)，2 個(gè)計(jì)算區(qū)域之間只有交界面沿旋轉(zhuǎn)中心的相對(duì)滑動(dòng)，而無(wú)其他維度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，所以一般選用滑移網(wǎng)格技術(shù)。

2.3 劃分計(jì)算網(wǎng)格

對(duì)計(jì)算域和零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖10 所示。圖10（a）在計(jì)算域邊緣加大網(wǎng)格以提高計(jì)算效率，在消波區(qū)域沿波的傳播方向逐步減小網(wǎng)格密度以確保消波效果。圖10（b）和圖10（c）因船首尾及裝置周?chē)谋砻媲首兓^大、流場(chǎng)變化劇烈，所以進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。圖10（d）在螺旋槳區(qū)域設(shè)置滑移網(wǎng)格以確保螺旋槳能夠準(zhǔn)確捕捉周?chē)鲌?chǎng)信息。

圖10 部分網(wǎng)格Fig.10 Partial grid

3 計(jì)算與結(jié)果

將裸船以及安裝新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置的船模分別放入一階線性規(guī)則波中，并使其自航，通過(guò)計(jì)算對(duì)比得到裝置對(duì)船舶推進(jìn)性能的影響。首先需要確定船模的自航點(diǎn)轉(zhuǎn)速n，在預(yù)估的n前后分別選取2 個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速，然后計(jì)算阻力、推力等相關(guān)數(shù)據(jù)并通過(guò)插值法可以得到較為準(zhǔn)確的船模自航點(diǎn)轉(zhuǎn)速n，最后根據(jù)n計(jì)算出該工況下的螺旋槳推進(jìn)效率。

本文所有工況的航速均選取船模的設(shè)計(jì)航速2.196 m/s。根據(jù)控制變量法，分別計(jì)算3 組不同波高和3 組不同波長(zhǎng)的情況下，加裝輔助推進(jìn)裝置前后的KCS 船模的阻力、推進(jìn)力以及推進(jìn)效率，以體現(xiàn)新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置對(duì)船舶的輔助推進(jìn)性能。

3.1 不同波長(zhǎng)下船舶推進(jìn)性能分析

計(jì)算模型選取KCS 船模，計(jì)算航速為船模設(shè)計(jì)航速2.196 m/s，波高選取0.08 m，0.09 m 以及0.1 m，波長(zhǎng)選取3.2 m，6.4 m 和9.6 m，并且引入推進(jìn)效率來(lái)衡量船舶的推進(jìn)性能，用 η0表示，其計(jì)算公式為：

式中：T為螺旋槳推力；Q為轉(zhuǎn)矩；ρ為流體密度；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；D為螺旋槳直徑。

通過(guò)CFD 數(shù)值仿真軟件計(jì)算并比較安裝新型震蕩水翼前后各波長(zhǎng)下迎浪航行時(shí)的總阻力、螺旋槳推力以及螺旋槳推進(jìn)效率。計(jì)算結(jié)果如表1～表3 所示。

表1 波高0.08 m的計(jì)算結(jié)果Tab.1 Wave height 0.08 m data

表2 波高0.09 m的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Wave height 0.09 m data

表3 波高0.1 m的計(jì)算結(jié)果Tab.3 Wave height 0.1 m data

以波高0.09 m的工況為例建立總阻力、螺旋槳推進(jìn)力、螺旋槳推進(jìn)效率關(guān)于波長(zhǎng)的折線圖，如圖11 所示。

圖11 波高0.09 m 不同波長(zhǎng)下的計(jì)算結(jié)果變化圖Fig.11 Change chart of wave height 0.09 m at different wavelengths data

由圖11（a）可知，船舶在安裝新型震蕩水翼前后受到的阻力隨波長(zhǎng)變化的趨勢(shì)基本一致，由于新型震蕩水翼改善了船體的水動(dòng)力性能，加裝水翼后船舶所受總阻力在各波長(zhǎng)下都要小于裸船。不僅如此，新型震蕩水翼將波浪能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，為船舶航行提供了額外的推力，所以船舶維持設(shè)計(jì)航速所需的螺旋槳推力也會(huì)降低。由圖11（b）可知，安裝新型震蕩水翼后的船舶，以設(shè)計(jì)航速航行所需的螺旋槳推力普遍小于裸船所需的螺旋槳推力。由圖11（c）可知安裝水翼后螺旋槳的推進(jìn)效率在不同波長(zhǎng)時(shí)都有所提升，即安裝新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置后，船舶的推進(jìn)性能得到了改善。

圖12 為裸船和加裝裝置船的螺旋槳槳后速度云圖，由圖可得相同環(huán)境下安裝新型震蕩水翼的船舶螺旋槳槳后速度場(chǎng)分布更加均勻，這表明新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置不僅能減小船舶在航行過(guò)程中所受阻力，提高螺旋槳推進(jìn)效率，還能改善船舶的耐波性。

圖12 螺旋槳槳后速度場(chǎng)云圖Fig.12 Cloud diagram of the speed field behind the propeller

3.2 不同波高下船舶推進(jìn)性能分析

選取波長(zhǎng)為6.4 m，波高分別為0.08 m，0.09 m，0.1 m的相關(guān)數(shù)據(jù)，分析不同波高下安裝水翼前后船舶的總阻力、螺旋槳推力和螺旋槳推進(jìn)效率。

由表4 可知，相同波長(zhǎng)下，總阻力、螺旋槳推力都隨波高的增長(zhǎng)而增長(zhǎng)，但安裝新型震蕩水翼后的船舶以自航速度在航行過(guò)程中所受到的總阻力，以及為了維持設(shè)計(jì)航速所需的螺旋槳推力都要明顯小于裸船，同時(shí)推進(jìn)效率也有顯著提升，這說(shuō)明在不同波高下新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置也較大幅度地改善了船舶在航行過(guò)程中的推進(jìn)性能。

表4 波長(zhǎng)6.4 m的計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results with a wavelength of 6.4 m

4 結(jié)語(yǔ)

本文運(yùn)用CFD 數(shù)值仿真軟件，以控制變量法，對(duì)船模在不同波長(zhǎng)、不同波高的規(guī)則波中的航行狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算并且對(duì)比分析了裸船與加裝新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置的船模在波浪中航行的總阻力、螺旋槳推力與螺旋槳推進(jìn)效率。結(jié)果表明本文提出的新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置不僅能夠降低船舶在波浪中受到的航行阻力，還能為船舶提供輔助推力，同時(shí)提高船舶的耐波性，大幅改善了船舶的推進(jìn)性能。

本文在仿真計(jì)算的過(guò)程中，為了降低波浪傳播過(guò)程中幅值的衰減，同時(shí)不影響計(jì)算效率，自由液面處的網(wǎng)格數(shù)量在波高范圍內(nèi)控制在16～20 個(gè)，在波長(zhǎng)范圍內(nèi)控制在80～100 個(gè)，并且為了預(yù)報(bào)結(jié)果的快速性與準(zhǔn)確性，波高方向的網(wǎng)格尺寸與波長(zhǎng)方向的網(wǎng)格尺寸之比 (Δz/Δx)控制為1/2 或1/4。此操作經(jīng)驗(yàn)可供參考。