某拖輪200 kW 輪緣推進器水動力性能分析

左新平，鄭少雄，周俊雄

（1. 中交四航局江門航通船業(yè)有限公司, 江門 529145；2. 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣州 510075；3. 江門南洋船舶工程有限公司, 江門 529145）

1 前言

輪緣推進裝置取消了傳統(tǒng)的機械傳動軸系，采用集成電機技術(shù)將輪緣電機與螺旋槳、水潤滑軸承等部件進行一體化設計制造。其具有結(jié)構(gòu)簡單、布置方便、易于控制等特點，是現(xiàn)代船舶推進技術(shù)的發(fā)展熱點。

目前國內(nèi)外研究機構(gòu)的研究主要集中在輪緣推進器水動力性能及其影響因素、基于流固耦合的槳葉強度校核、間隙和導管的影響因素以及電機/軸承性能等方面，尚缺少有效的水池試驗驗證手段，而基于實尺度螺旋槳的系柱拉力測試非常必要。

本文針對某拖輪7 葉200 kW 輪緣推進器，基于RANS 方法，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，建立輪緣推進器數(shù)值預報模型，開展不同進速系數(shù)下的水動力計算，獲得其敞水特性；并將計算結(jié)果同系柱工況下的實槳測試結(jié)果進行對比，兩者具備良好的吻合性；在算法驗證的基礎上，針對輪緣推進器的水動力性能和基于圖譜設計的傳統(tǒng)導管槳進行對比，結(jié)果表明，在常用進速下，采用輪緣推進方案，其敞水效率更高。

2 數(shù)值方法

2.1 控制方程

本文采用不可壓縮粘性流來求解輪緣推進器的水動力性能，流動控制方程分別為連續(xù)性方程和動量性方程：

2.2 湍流模型

選用RNG k-ε 湍流模型，該湍流模型為二方程模型，工程應用較多，其湍流動能和耗散率方程分別為：

式中：G為由于平均速度梯度引起的湍動能產(chǎn)生；G為用于浮力影響引起的湍動能產(chǎn)生；Y為湍流耗散率的影響；μ為湍流粘性系數(shù)。

2.3 離散算法

對于控制方程的離散采用有限體積法：其中，對流項采用二階迎風格式；擴散項采用中心差分格式；壓力速度耦合采用 SIMPLEC 算法；收斂標準考慮10個標準迭代步長；推力和扭矩的變化量不超過0.3%。

3 計算對象

3.1 幾何模型

推進器包含外圍導流罩及內(nèi)部螺旋槳，其中螺旋槳槳型參數(shù)為：直徑1.0 m，7 葉，盤面比0.751，螺距比0.765。輪緣推進器三維模型如圖1 所示。

圖1 輪緣推進器三維模型

3.2 計算區(qū)域及邊界條件

（1）計算區(qū)域

輪緣推進器CFD 模擬的計算域，整體采用圓柱體，以輪緣推進器內(nèi)徑D 為參考尺度：計算域入口距離槳中心為 4 D ，出口距離槳中心為 6 D ，圓柱體直徑為 4 D。

在圓柱計算域內(nèi)部又分為外域和內(nèi)域，外域設置為靜止域，用來計算來流和尾流；內(nèi)域為導流罩內(nèi)涵蓋螺旋槳部分，設置為旋轉(zhuǎn)域。

（2）邊界條件

邊界條件設置為：入口邊界為速度入口，并給定入口處的速度分量；出口邊界設置為質(zhì)量出口；外域的表面設置為壁面；采用多重旋轉(zhuǎn)坐標系模型和 RNG k-ε 湍流模型。

3.3 網(wǎng)格劃分

外域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，內(nèi)域的螺旋槳部分采用六面體的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在具體網(wǎng)格劃分上，開展了不同尺度的網(wǎng)格收斂性分析，體網(wǎng)格按照3 倍數(shù)量增加，同時考慮計算效率，確定最終的網(wǎng)格方案為：計算域體網(wǎng)格數(shù)為214.6 萬個，推進裝置的面網(wǎng)格數(shù)為25.3萬個，邊界層第一層網(wǎng)格尺寸為1.0×10。計算域及推進器面網(wǎng)格劃分，如圖2、圖3 所示。

圖2 輪緣推進器表面網(wǎng)格劃分

圖3 輪緣推進器外域網(wǎng)格劃分

4 結(jié)果分析

4.1 敞水計算結(jié)果分析

本文針對實尺度螺旋槳開展計算，CFD 計算采用恒定的螺旋槳轉(zhuǎn)速610 r/min。為了評估其水動力性能，求出其Kt、Kq 曲線，選取水流進速為 0 kn、5 kn 和10 kn，對應的進速系數(shù)J 為0、0.267、0.534，分別進行水動力計算，得到推進器推力和扭矩。將其換算為無量綱化的推力系數(shù)K與力矩系數(shù)K：

式中：為推力；為扭矩；為水密度；為轉(zhuǎn)速；為螺旋槳直徑。

表1 和圖4 為無轂推進器的敞水性能計算結(jié)果（計算工況點從0 kn～10 kn）。

圖4 輪緣推進器的敞水性能

表1 無轂推進器的敞水性能計算結(jié)果

4.2 不同槳型效率對比

為了對比輪緣推進器和傳統(tǒng)的導管螺旋槳在相同的使用環(huán)境下水動力性能差異，按照和輪緣推進器相同的功率等級計算和設計了一款傳統(tǒng)的導管槳，螺旋槳和導管的型式完全按照傳統(tǒng)的圖譜設計，最終選定螺旋槳型式為ka4-55 螺旋槳和19 A 導管，并且將圖譜導管槳運用到舵槳結(jié)構(gòu)中，計算了傳統(tǒng)螺旋槳的敞水特性，對比數(shù)據(jù)如圖8、9 所示。

為驗證計算結(jié)果的合理性，開展輪緣推進裝置實槳在系列功率下的系柱拉力測試，系柱測試最大功率為200 kW，計算結(jié)果對比如表2 所示。

表2 CFD 計算和系柱測試結(jié)果對比

由表2 對比結(jié)果可知：0 進速下的CFD 計算結(jié)果和實槳的系柱拉力測試結(jié)果吻合良好，表明本研究采用技術(shù)路線合理可行；同時，CFD 計算結(jié)果能夠給出流線、速度分布、槳葉壓力分布等流場細節(jié)，如圖5、6、7 所示。

圖5 CFD 計算空間流線

圖6 CFD 計算流場速度矢量

圖7 CFD 計算槳葉壓力分布

表3 為推進對比數(shù)據(jù)。

表3 輪緣推進器和導管槳推力對比數(shù)據(jù)

由圖8、圖9 及表3 對比結(jié)果可知：輪緣推進器和基于傳統(tǒng)圖譜：設計的導管槳，在8 kn 以下的常用進速范圍內(nèi)，在相同的功率下，輪緣推進器產(chǎn)生的推力比導管槳推力大，即其效率更高，說明輪緣推進器的優(yōu)勢。

圖8 輪緣推進器和導管槳在相同進速下推力對比

圖9 輪緣推進器和導管槳敞水效率對比

5 結(jié)論

本文針對某拖輪7 葉200 kW 實尺度輪緣推進器，基于RANS 方法，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，建立輪緣推進器數(shù)值預報模型，并開展了不同槳型的對比分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過開展實槳的CFD 計算結(jié)果和實槳在200 kW功率下系柱拉力測試結(jié)果進行對比，兩者吻合良好，驗證了本文采用的CFD 實槳分析數(shù)值算法的可靠性，可以作為輪緣推進裝置水動力預報方案；

（2）通過開展輪緣推進器和基于圖譜設計的傳統(tǒng)導管槳水動力結(jié)果對比，在8kn以下的常用進速范圍內(nèi)，采用輪緣推進方案，在相同功率下，輪緣推進器發(fā)出的推力更大，敞水效率更高。