導管槳加裝節能舵球的水動力性能計算分析

王貴彪，謝永和

(浙江海洋學院a.水產學院，b.船舶與建筑工程學院，浙江 舟山316004)

螺旋槳作為船舶上應用最為廣泛的一種推進器，其水動力性能不僅與其本身的要素、船體、主機有關，而且還受到螺旋槳后舵的影響。因此，必須將螺旋槳與舵當成一個系統來計算其水動力性能［1］。舵球作為一種節能裝置，投資少、安裝方便，對各類新舊船型都適用，且能夠取得理想的節能效果，普遍受到船東的歡迎。目前，國內外許多研究者已經對螺旋槳加裝舵球的水動力性能做了較深入的研究，但還僅僅局限于普通螺旋槳，對導管槳加裝舵球后的水動力性能分析較少涉及。為此，本文針對42 m拖網漁船的導管螺旋槳及其舵，利用Fluent軟件，對加裝舵球前后，導管槳-舵系統水動力性能進行計算與比較，分析舵球的節能機理。

1 控制方程和湍流模型

1.1 控制方程

針對不可壓縮流體，其連續性方程為

RANS方程為

1.2 湍流模型

采用RNG k-ε模型對雷諾平均方程進行封閉，該模型所得到的k方程和ε方程與標準k-ε模型非常相似［2］:

式中:Gk——平均速度梯度引起的湍動能;

Gb——浮力影響引起的湍動能;

YM——可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響;

αK，αε——湍動能k和耗散率ε的有效普朗特數的倒數。

2 計算的前處理

2.1 幾何模型的建立與網格劃分

計算選取模型為42 m拖網漁船的Ka4-55型導管槳和NACA-18剖面的舵，其參數分別為直徑3 m，轂徑0.48 mm，螺距4.26 m，盤面比0.55的導管槳;舵尺寸要素為3.3 mm×1.5 mm，面積為4.95 m2，展弦比為2.2。

設計的舵球由兩個部分組成:前部分為半個球體，后部分為同一圓形為底面的圓錐與舵葉。通過布魯爾運算所得，圓錐的高度為圓心至舵葉隨邊的垂直距離。舵球直徑與螺旋槳的比值為0.200～0.216時節能效果最佳［3］，而舵球與槳轂間距越小節能效果越好［4］，故本文選取兩者之比為0.21，與槳轂的距離選取為1 mm。舵球形狀見圖1，槳-舵-舵球計算模型見圖2。

圖1 舵球形狀示意

圖2 槳-舵-舵球3D模型示意

在Gambit中按1∶12.5的縮尺比建立幾何模型，并導入ANSYS-ICEM中劃分網格，在靠近導管槳和舵的區域采用非結構網格，而在外圍區域則采用六面體網格劃分，邊界層網格則采用三棱柱網格。

2.2 計算域的選取與邊界條件設置

選取的計算域為一圓柱體，由3個子域組成，分別是包含螺旋槳和導管內壁的域、包含導管外壁和舵的域以及外圍流場的域，見圖3。

圖3 槳舵系統計算域及邊界條件設置示意

將進口邊界設置在槳前2.5D處，出口邊界設置在螺旋槳下游8D處，計算域外圍圓柱的半徑為3.5D，D為導管槳直徑。

而在邊界條件設置上，螺旋槳區域采用MRF法;舵及導管外壁所在區域與外圍區域均設置為靜止域;入口條件設置為速度入口;出口條件設置為壓力出口;由于內、外域交界面的網格劃分不同，因此將這些面分別設置為成對的interface交界面條件;將導管、槳葉、槳轂的壁面均設置為速度無滑移條件，同時將導管內壁的絕對旋轉速度設置為零。螺旋槳區域與舵區域的交界面網格相同，設為內部面interior。

3 計算結果對比分析

求解器選用分離式求解器，計算時選用RNG k-ε湍流模型，采用尺度化壁面函數處理近壁面，對控制方程的離散均采用一階迎風差格式。

進速系數分別選取0、0.2、0.3、0.5、0.7、0.8、0.9，螺旋槳轉速n=10 r/s保持不變，根據不同進速系數推算來流速度。

由于在舵上產生的力會對槳-舵系統乃至船體的效率產生影響，故系統的推力系數kt和轉矩系數kq分別由下式計算:

式中:Td——導管產生的推力;

Tj——螺旋槳產生的推力;

Tr——舵上產生的力;

Q——導管螺旋槳產生的轉矩。

圖4為槳-舵系統水動力性能特征曲線對比。

圖4 槳-舵系統水動力性能特征曲線對比

由圖4可見，安裝舵球后，導管螺旋槳推力系數和轉矩系數比原舵有所減小，但導管槳-舵系統的效率有不同程度的提高。舵球的節能效果用Δη表示。

計算所得節能效果見表1。

表1 不同進速下舵球節能效果表

根據表1，本文42 m拖網漁船舵球節能效果最大可以到達2.1%，其中拖網工況J=0.3下節能1.81%。見圖5。

圖5 舵球節能效果

由圖5可見，導管槳的舵球節能效果曲線與普通槳有較大區別［5］:導管槳舵球曲線存在3個極值點。隨著進速系數的增大，節能效果先增大至位于J=0.2的波峰處，隨后逐漸減小至波谷J=0.3處，緊接著繼續增大至位于J=0.5附近的波峰處，隨即繼續減小。

4 舵球節能機理分析

為從微觀上分析舵球節能的原理，以拖網工況J=0.3為例，對導管槳尾流場進行分析。

對比圖6以及圖7有舵球和無舵球槳-舵系統中切面的壓力云圖和矢量分布圖，舵球填充了導管槳槳轂后端的一小塊低壓空間，也使得槳轂后端的紊流渦流區不復存在，減少了由它們所引起的能量損失。

圖6 系統中切面壓力云圖

圖7 系統中切面矢量圖

導管槳槳后水質點運動軌跡見圖8。

圖8 導管槳槳后水質點運動軌跡

由圖8可見，安裝舵球后，舵球將尾流尤其是靠近槳轂后尾流向外半徑排擠，能夠減少尾流收縮。而由理想推進器理論［6］可知:增大螺旋槳尾流截面積可使螺旋槳的理想效率提高。因此，舵球的安裝可以使導管槳的理想效率得到提高。

5 結論

1)針對42 m拖網漁船，設計節能舵球的安裝可使該船的導管槳在拖網工況下，即進速系數J=0.3時獲得1.81%的節能效果。

2)由于導管的存在，使得導管槳舵球的節能效果曲線與普通槳有較大區別。導管槳的舵球隨著進速系數的增大，節能效果先增大后減小，接著再增大再減小。節能效果曲線具有兩個波峰(J=0.2附近及J=0.5)和一個波谷(J=0.3)。

3)舵球填充了槳轂后端的低壓區，減小了由紊流渦流引起的能量損失;同時舵球的存在使得導管槳的尾流截面積得以提高，從而使得其理想效率得到提高。

本文僅僅設計了一種舵球形狀，在今后的研究中，可以針對導管槳設計不同的舵球形狀，比較它們的節能效果，優選出針對導管槳的舵球的最佳形狀。

［1］馬 騁，錢正芳，張 旭，等.螺旋槳-舵-舵球推進組合體水動力性能的計算與仿真研究［J］.船舶力學，2005，19(5):38-45.

［2］王福軍.計算流體動力學分析［M］.北京:清華大學出版社，2004.

［3］朱光遠，張國雄，祁素珍.21 000 t多用途船的球首設計及尾部節能裝置實驗［J］.上海船舶運輸科學研究所學報，1994，17(1):1-5.

［4］裴為民，楊懷蜀.舵球對螺旋槳敞水效率的影響［J］.交通部上海船舶運輸科學研究所學報，1994，12(1):6-14.

［5］胡文婷.帶有舵球式推力鰭的船用舵水動力性能研究［D］.哈爾濱:哈爾濱工程大學，2010.

［6］盛振邦，劉應中.船舶原理［M］.下冊.上海:上海交通大學出版社，2004.