沉管管節旁拖頂推時螺旋槳推力折損計算分析

2022-07-19 06:38:16姜壽紅

船海工程 2022年3期

姜壽紅

(1.交通部廣州打撈局，廣州 510290；2.廣東省海洋工程施工與水上應急救援工程技術研究中心，廣州 510290)

廣東省在虎門大橋和港珠澳大橋之間的深中通道與港珠澳大橋類似之處是途徑伶仃洋要采用沉管技術。沉管管節在隧址附近的預制場預制，管節在浮運過程中，采用多艘旁拖頂推保證管節航線穩定。途徑的航道是淺水航道，并且遭受受潮汐流動影響，航道潮汐橫流水流對管節的作用一個的橫流，將導致管節偏航。管節和旁拖船體會使旁拖頂推時螺旋槳實際發出的推力會發生折損。依據經驗，會預留20%～30%的推力折損補償。

影響螺旋槳推力的因素是多方面的。有學者基于求解RANS方程的CFD軟件平臺，采用滑移網格技術模擬螺旋槳的旋轉，選擇標準-湍流模式數值模擬螺旋槳的推力等水動力。推力系數的預報誤差最大可控制在4.3%以內。有學者采用多重滑移網格技術和計算流體力學方法，研究螺旋槳在水下潛器各子系統流場影響下作非定常轉艏擺動時的推進特性。計算結果表明：水下潛器組合體流場對導管螺旋槳的推進特性有不可忽略的影響。有學者采用非定常RANS方程和RNG-湍流模型，使用滑移網格模擬螺旋槳旋轉，對槳-舵系統的水動力進行數值模擬，結果表明，設計工況扭曲舵能提高敞水效率的效果。有學者采用數值模擬方法，基于RANS方程和RNG-湍流模型求解流場，利用滑移網格技術處理螺旋槳的旋轉，研究偏轉角對船后不同位置吊艙導管推進器的系柱推力和轉矩影響，將數值模擬結果與模型試驗結果比較，推力計算的最大誤差為11.6%，絕大多數在5%以內。

本文問題主要涉及螺旋槳水動力性能和淺水航道大型鈍體附體的繞流流動。螺旋槳水動力性能研究除了采用試驗研究方法之外，還有大量的無空泡下的黏性數值模擬研究。文獻[6-7]討論了不同湍流模式對螺旋槳敞水性能計算結果的影響，發現不同湍流模式的計算結果比較接近；由于SST-湍流模式與標準-類似，加以改進，目前比其他湍流模型適用范圍更廣泛，在螺旋槳水動力性能計算中也被眾多文獻采用。并且數值模擬螺旋槳推力的結果與實驗結果的誤差在5%～10%，滿足工程精度要求。

對于大型鈍體浮體繞流問題的數值模擬，隨著計算機性能的提升，可以實現原型計算，從而避免縮小模型計算中邊界層流動和流動分離與原型的差別，使計算精度得到保證。本文采用基于RANS方程和SST-湍流模型，以及應用滑移網格技術實現螺旋槳的旋轉運動，展開管節頂推時螺旋槳推力折損情況分析。計算模型采用實際尺度，包括管節、旁拖船、導管槳和淺水航道。管節在具有潮汐橫流速度的淺水航道中浮運。考慮不同管節前進速度、不同航道橫流速度和不同螺旋槳轉速的影響，分別計算了旁拖位于管節一側的前、后位置的流場流動，從計算結果中提取螺旋槳發出的推力，分析螺旋槳推力的折損情況。

1 數值模擬的理論基礎

管節浮運可近似看做是管節的勻速直線前進，通過慣性坐標系轉換，管節不動，而水流流向管節。同時，航道存在橫流，旁拖的螺旋槳旋轉。

流體不可壓縮，考慮流體黏性，忽略重力的作用。流動由于螺旋槳的轉動，非定常，并視為無空泡現象。忽略自由面波動的影響。

采用有限體積方法求解RANS控制方程，采用SIMPLEC算法進行壓強與速度的耦合迭代求解，時間步進采用一階隱式格式，其他均采用二階迎風格式。

將以上方程結合流動的初始條件和邊界條件，即可獲得流場的流動和導管槳推力，進而分析螺旋槳的推力折損情況。

數值模擬方法首先建立模型，確定計算域，并將計算域劃分網格完成流場空間的離散。然后將網格模型導入求解器，設置相關參數，最后運行求解。收斂標準取10，時間步長0.001 s。

2 建立數值模擬模型

計算模型包括管節、旁拖船、導管槳以及淺水航道。由于旁拖船和導管槳沒有圖紙，采用主要參數接近的拖船和導管槳代替，見圖1。

圖1 管節、前旁拖和雙槳模型(不含槳支撐結構)

管節為長方體，主尺度為：××=165 m×46 m×10.6 m，干舷取0.2 m。

旁拖船主尺度為：總長37.6 m、型寬10.5 m、型深4.5 m、吃水4.1 m、排水量784.78 t，雙全回轉導管槳，為外旋槳。

導管槳直徑=2.5 m，平均螺距比()為1.145,盤面比為0.75，轂徑比為0.167，右旋4葉槳。

實際上，旁拖頂推糾偏時，布置在管節側面的前后位置，分別稱為前旁拖和尾旁拖，兩者相距99 m?？赡芮昂蠓謩e布置一艘或者兩艘船，并與管節有一定夾角。

為簡化計算，考慮前旁拖與尾旁拖距離較遠，忽略其相互影響，并僅計算單條前旁拖或尾旁拖。以及旁拖與管節的夾角也簡化為只考慮拖輪與管節縱軸線垂直情況。

2.1 模型和計算域

在建模軟件中，創建的管節、前旁拖或尾旁拖船、導管槳的模型，以前旁拖為例如圖1所示。因為缺乏資料，模型中將固定螺旋槳的支撐結構部分省略了。尾旁拖相似。

計算域必須足夠大才能保證計算精度，計算域和邊界條件見圖2。

圖2 前旁拖計算域和邊界條件

為了保證橫流到達管節的流速，將航道在橫流流向管節一側的形狀做變化處理，另一側保留實際航道水底的形狀。

管節在有橫流的淺水航道中浮運，計算域的邊界包括水流流入的速度入口、水流流出的壓強出口、航道水底，以及管節、船體、雙槳的固壁面。

由于螺旋槳做旋轉運動，在雙槳附近各設置一個包含螺旋槳的旋轉域。計算域中有動域，有靜域。通過圓柱形交界面的相對滑移，實現螺旋槳的轉動。為了劃分不同類型網格，包括結構網格與非結構網格，加密網格與稀疏網格。

2.2 網格劃分

數值模擬方法中，網格劃分是關鍵。在流動變化快的地方，網格需要加密；離開管節遠的地方，流動變化變緩，網格可以稀疏一些，以減小計算量。在固體壁面處，通過創建邊界層網格以便更加準確模擬邊界層的流動，見圖3。

圖3 前旁拖網格劃分

管節尺度大且是鈍體，計算域范圍也大。而導管螺旋槳附近網格尺度與之相比小了4個量級。這不僅增加了網格劃分的難度，網格數量也較多。前旁拖模型達網格數1 063萬，尾旁拖為1 069萬。

3 計算結果分析

3.1 敞水導管槳計算

首先計算直徑為2.2 m的導管槳的敞水性能，計算結果與槳設計提供的數據比較見圖4。

圖4 直徑2.2 m導管槳的敞水性能曲線

分析表明，進速系數在=0～07之間時，數值模擬的推力系數平均誤差為2.7%，最大誤差為4.75%；轉矩系數平均誤差為4.21%，最大誤差為8.28%；敞水效率平均誤差為4.21%，最大誤差為8%。當進速系數>0.7時，誤差增大。計算結果精度較好，滿足工程要求，也表明采用的數值模擬方法和參數設置是可靠的。

對于項目需求直徑為2.5 m導管槳建模，計算其敞水推力。

考慮最大橫流速度為0.6 m/s，槳轉速=215 r/min，進速系數=0.067，轉速=247 r/min，進速系數=0.058，分別計算=2.5 m,=0,0.1時的推力，見表1。