基于CFD的帶呆木船舶尾部流場分析

饒志強，魏 波，樊 濤，胡天翔，朱伯華，呂 江，郭興乾

(1. 江南造船（集團）有限責任公司，上海 200219；2. 上海交通大學(xué) 機械與動力工程學(xué)院，上海 200240；3. 中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫214082；4. 中國船舶與海洋工程設(shè)計研究院，上海 200011)

0 引 言

隨著造船技術(shù)和航運業(yè)的發(fā)展，船舶正向大型化和高航速方向發(fā)展。在這個過程中，船舶尾部附體數(shù)量和尺寸都會增多或增大。尾部區(qū)域附體最多，也最容易發(fā)生空化，而空化引起的剝蝕、振動、噪聲等問題一直是人們關(guān)注的重點。通常認為，船尾容易發(fā)生空泡的部件主要是軸支架、螺旋槳和舵葉等附體。對這些附體的空泡現(xiàn)象已經(jīng)有一些成果供參考。對于軸支架空泡現(xiàn)象，程道明等[1]在減壓水池中對某型船開展了試驗并觀測軸支架空泡。黃洪波等[2]對一艘雙槳船的軸支架進行了多安裝角度試驗分析，得到了不同支架角度對應(yīng)的空泡形態(tài)以及螺旋槳的水動力性能供船舶設(shè)計參考。呂江等[3]采用Eppler方法對軸支架剖面進行了設(shè)計并開展模型試驗，試驗證明Eppler設(shè)計支架能夠提高軸支架的空泡裕度。李亮等[4]采用內(nèi)窺鏡觀測了實船支架上的空泡，為實船支架臂空泡形態(tài)提供了直觀認識。而對于舵葉表面空化問題，于安斌等[5]對扭曲舵的空化特性進行了模型試驗，并發(fā)現(xiàn)扭曲設(shè)計能夠有效提高舵葉空泡初生舵角。葉金銘等[6]采用CFD方法對舵葉空化開展了數(shù)值研究和實船觀測，結(jié)果表明舵表面會先于螺旋槳表面發(fā)生空化。曹彥濤等[7]同樣采用內(nèi)窺鏡對實船舵葉空泡進行了觀測，結(jié)果表明舵葉表面的犧牲陽極最容易發(fā)生空化，且懸空的舵葉下端有渦空泡脫落，舵葉中部在高速時有大面積空泡出現(xiàn)。相對于軸支架和舵葉，螺旋槳空化的研究則豐富得多。熊鷹等[8]、張永坤等[9]、季盛等[10]、劉登成等[11]，武坤等[12]采用數(shù)值模擬或試驗方法開展了螺旋槳空化特性的研究。

近年來，很多大型船舶都在船舶尾部安裝了尺寸較大的呆木來提高尾部結(jié)構(gòu)安全性或匹配船塢內(nèi)建造工藝。一般認為，呆木對船舶性能影響最大的是操縱性。趙占華等[13]采用模型試驗的方法證實呆木能提高一艘工程船的拖航穩(wěn)定性。曹留帥等[14]采用分離型操縱性數(shù)學(xué)模型研究了呆木對操縱性的影響，結(jié)果表明呆木面積與航向穩(wěn)定性提高成正比。而對于尾部呆木周圍的流場及其流動特性研究，則尚未發(fā)現(xiàn)相關(guān)文獻發(fā)表。

本文采用計算流體力學(xué)方法研究一艘?guī)Т裟镜拇拔膊苛鲌觥?shù)值仿真首先分析了直航狀態(tài)下的尾部呆木壓力分布和呆木泄出渦形態(tài)，然后分析了回轉(zhuǎn)狀態(tài)下的泄出渦特征。研究表明呆木末端是全船壓力最低點，在高速直航時有明顯的泄出渦產(chǎn)生，而回轉(zhuǎn)狀態(tài)下泄出渦大幅減弱或消失。船舶直航時呆木泄出渦存在空化的可能，在船舶設(shè)計中不能忽略。

1 流場數(shù)值分析

1.1 物理模型和數(shù)值方法

為了開展流場模擬，在模型尺度船體周圍創(chuàng)建計算域。其中，直航工況的計算域為方形，回轉(zhuǎn)工況的計算域為環(huán)形。在數(shù)值模擬中，采用RANS方法對流場進行計算，湍流模型采用SSTk-ω湍流模型。計算域的入口采用速度入口，出口采用壓力出口，側(cè)面遠場采用對稱邊界（直航工況）或者滑移壁面邊界條件保證流體在遠場邊界上不穿透（回轉(zhuǎn)工況），消除遠場邊界條件對船體周圍流場的影響。圖1和圖2為CFD數(shù)值仿真的計算域及具體邊界條件設(shè)置，右下角為尾部呆木表面網(wǎng)格。直航工況網(wǎng)格總數(shù)約為640萬，回轉(zhuǎn)工況網(wǎng)格總數(shù)約為1 300萬，船體和附體表面均劃分邊界層網(wǎng)格。為了分析流場特性，采用同一個航速進行數(shù)值計算。

1.2 直航數(shù)值分析

首先對直航工況進行數(shù)值分析。在船舶流場中，低壓區(qū)和渦是形成空化的主要因素。因此可以通過壓力分布和渦系特性來定性判斷尾流場的基本情況。圖3為直航工況的尾部壓力分布。從壓力分布的結(jié)果來看，船尾呆木末端由于形狀突擴是一個壓力極低的區(qū)域，為全船壓力最低點（圖3虛線圈內(nèi)）。圖4和圖5為尾部流場的Q準則等值渦面（Q=10 000，下同）以及渦面上的壓力分布。其中圖5還給出了呆木后方的流線。從渦面結(jié)果來看，尾部呆木末端形成了2個明顯的泄出渦向船尾運動。從流線可以看出，向船尾運動的泄出渦呈明顯的螺旋線形式，是名副其實的“渦”。

圖1 直航工況計算域和邊界條件設(shè)置Fig. 1 Domain and boundary conditions of straight sailing condition

圖2 回轉(zhuǎn)工況計算域和邊界條件設(shè)置Fig. 2 Domain and boundary conditions of turning condition

需要注意的是：2股泄出渦在向后運動過程中一直與船體平板龍骨保持一定距離。呆木末端的低壓區(qū)和高強度泄出渦使呆木相應(yīng)位置有發(fā)生空化的可能，需要特別注意。

圖3 直航工況尾部壓力分布Fig. 3 Pressure distribution on stern under straight sailing condition

圖4 直航工況等渦面及其表面壓力分布Fig. 4 ISO-surface of vortex and its pressure distribution under straight sailing condition

圖5 直航工況等渦面及附近流線Fig. 5 ISO-surface of vortex and streamlines

1.3 回轉(zhuǎn)數(shù)值分析

對回轉(zhuǎn)工況下的船尾流場進行數(shù)值計算和分析。圖6為中等舵角回轉(zhuǎn)工況下的尾部壓力分布。在回轉(zhuǎn)工況中，呆木末端壓力上升明顯，這意味著該處發(fā)生空化的可能也在降低。圖7為尾部流場的Q準則等值渦面及渦面上的壓力分布。回轉(zhuǎn)工況下，尾部呆木末端仍然會形成2股泄出渦，但泄出渦體積和強度大幅度減弱。呆木末端壓力有所升高，泄出渦的強度減弱，這意味著回轉(zhuǎn)工況下呆木發(fā)生空化的概率會降低。

圖6 回轉(zhuǎn)工況尾部壓力分布Fig. 6 Pressure distribution on stern under turning condition

圖7 回轉(zhuǎn)工況等渦面及其表面壓力分布Fig. 7 ISO-surface of vortex and its pressure distribution under turning condition

2 數(shù)值分析結(jié)果

從數(shù)值分析結(jié)果來看，直航狀態(tài)時尾部呆木末端存在明顯的低壓區(qū)和泄出渦。而回轉(zhuǎn)工況下呆木末端的低壓區(qū)和泄出渦上的壓力均有所升高，回轉(zhuǎn)工況發(fā)生尾部流場空化的可能性也會有所降低。究其原因是因為直航工況下呆木末端附近的流動以從下到上的垂向流動為主，而回轉(zhuǎn)工況中呆木附近的流動以從左到右（右舵回轉(zhuǎn)時）的側(cè)向流動為主。垂向流動由于船型特征存在突然擴張，這種突擴會引起壓力急劇降低[15]。

船上發(fā)生的空泡很大一部分都是由渦流產(chǎn)生，比如螺旋槳梢渦或轂渦空泡，懸掛舵葉下端的空泡等等。對本船而言，呆木末端為全船壓力最低點，在該點又形成了高強度的渦流，這種低壓和高強度泄出渦的疊加很可能會形成空泡。這個潛在的問題在船體線型設(shè)計時尤其需要注意。

3 結(jié) 語

本文采用CFD數(shù)值模擬方法對一艘?guī)Т裟镜拇拔膊苛鲌鲞M行了研究，得出以下結(jié)論：

1）船舶直航時，呆木末端是全船壓力最低點且呆木末端有明顯的泄出渦產(chǎn)生，呆木末端處存在空化風險，應(yīng)予以特別關(guān)注。

2）船舶回轉(zhuǎn)時，呆木末端壓力有所升高，且沒有明顯的泄出渦出現(xiàn)。

3）CFD數(shù)值技術(shù)有助于發(fā)現(xiàn)船舶設(shè)計初期的的潛在問題。

船舶尾流場一直是船舶外流場最復(fù)雜的區(qū)域，其對尾部各附體都有影響。本文開展的尾部呆木流場分析對后續(xù)的船舶設(shè)計和建造具有一定的參考意義。