基于CFD技術的節能舵球節能效果數值預報

李學軍，苗 飛，沈海龍

（1.中遠船務工程集團有限公司，遼寧大連 116600；2.哈爾濱工程大學 水下機器人技術重點實驗室，哈爾濱 150001）

0 引言

隨著國際海事組織對船舶能耗和廢物排放限制新標準的制定和實施，我國船舶制造與運輸企業對船舶節能減排技術的需求也越來越迫切。通過安裝導流鰭[1]、前置導管[2]、補償導管[3-5]、槳前整流鰭[6-9]舵球、舵附推力鰭等節能裝置來改善槳盤面處的伴流分布，對于螺旋槳的減振降噪、螺旋槳推進效率的提高是一種有效的措施。舵球是一種簡易、實用、節能效果顯著的尾部節能附體，安裝在正對螺旋槳轂的舵上，其頭部呈半球形。它填充了螺旋槳轂帽后的低壓區空間，對螺旋槳后的水流有良好的整流作用，從而減少了紊流渦流引起的能量損失。

文章采用CFD技術對槳后舵球的水動力性能進行了研究分析，借助CFD商業軟件FLUENT，選用大渦模擬（LES），通過求解三維粘性不可壓縮雷諾平均納維-斯托克斯方程（RANS），對AU5-593槳進行數值模擬，研究了槳舵干擾，并且預報了螺旋槳-舵-舵球系統的水動力性能，考察槳后舵對螺旋槳性能的影響及舵球的節能效果，通過改變舵球直徑與螺旋槳直徑的比值，考察了舵球尺寸的變化對螺旋槳效率的影響。

1 數值計算過程

1.1 研究對象的幾何模型

螺旋槳模型型號為AU5-593槳，其參數如表1所示。舵采用對稱 NACA66-018剖面舵，舵高0.306m，展弦比為1.04。槳轂與舵球前端的距離為0.06m，舵球直徑與螺旋槳直徑之比為0.216。螺旋槳、舵、舵球的幾何外形如圖1和圖2所示。

表1 螺旋槳的參數

圖1 螺旋槳的幾何外形

圖2 螺旋槳-舵-舵球模型

在生成幾何模型時，首先使用Fortran語言編寫的面元法程序計算出螺旋槳表面的型值點，然后利用GAMBIT軟件建模，使用高階NURBS曲線采用插值的方式生成光順的槳葉和槳轂表面控制曲線，再以這些控制曲線為基礎，由高階NURBS曲面生成光順的三維螺旋槳槳葉和槳轂表面，最終由這些光順的曲面建立螺旋槳幾何模型，舵及舵球模型的建立也是采用同樣的方法，將螺旋槳、舵、舵球模型組合起來，即可形成槳舵組合和螺旋槳-舵-舵球系統模型。在建模的過程中使用的是直角坐標系O-XYZ，X軸方向代表來流方向，它沿著螺旋槳的旋轉軸指向下游；Y軸與螺旋槳的某一槳葉的頁面參考線一致；Z軸服從右手定則。

1.2 計算域與網格的劃分

整個流場以螺旋槳母線和旋轉軸及其交點為基準，分別指向速度入口方向、壓力出口方向以及螺旋槳直徑方向延伸2倍、5倍和3倍的螺旋槳直徑，以此為計算域。

使用CFD前處理軟件GAMBIT劃分流場網格，基于滑移網格技術，模擬螺旋槳旋轉的特點，將流場分為完全靜止的部分和繞槳軸旋轉的部分。整個流場設置成圓柱形，外圓柱不動，模擬實際流場；內圓柱包含螺旋槳，與螺旋槳一起以給定的轉速旋轉，模擬螺旋槳的實際轉動。文中在劃分網格時采用了局部加密的方法，對于槳葉和槳轂部分進行加密，而對于出口段的網格，將其密度適當降低，以便控制總網格數。這樣，對于單個螺旋槳來說，整個流場共生成180萬個網格，其中外圓柱生成61萬個網格，內圓柱生成119萬個網格。

1.3 邊界條件的設置

邊界條件分為五個部分，分別是速度入口（inlet），壓力出口（pressure out），界面（interface），壁面（wall）和遠場邊界條件。由于不考慮空泡，速度入口處給定來流速度，來流的參考壓力設為0，同樣壓力出口的靜壓力也設置為0，壁面設為不可穿透的光滑壁面，遠場邊界條件可以設置為速度入口，且將速度和參考壓力均設為0。

2 數值計算結果及分析

2.1 敞水槳計算結果及與試驗值的比較

計算中，進速系數J分別取為0.3、0.4、0.5、0.6，螺旋槳轉速為一定值，n=3000r/min，進速系數J的變化通過改變來流流速VA大小來實現。計算所得的敞水效率曲線及與試驗值的比較如表2和圖3所示，所有試驗數據均來自文獻[10]和文獻[11]。

表2 敞水效率計算結果

圖3 敞水效率曲線

比較計算結果與試驗值，在進速系數 0.3~0.6的變化范圍內，敞水效率的計算值與試驗值的偏差分別為5.50%、6.69%、8.32%、10.99%，平均偏差7.88%，且隨著進速系數的增加偏差值逐漸增大。總的來說，在計算螺旋槳的敞水性能時出現了較大的誤差。究其原因，一方面是由于在實體建模的過程中所建立的模型與實際的槳模之間存在一定的差異；另一方面是由于近壁處理方法選取不當及邊界條件的簡化設置而造成的。但誤差在可接受的范圍之內，與試驗值基本吻合，驗證了計算方法的準確性和可靠性。

2.2 槳舵干擾的數值計算結果及分析

在螺旋槳模型的基礎上加上舵的模型，建立槳舵組合，進行數值計算。計算域、網格劃分、邊界條件的設置及計算時的參數設置均與孤立螺旋槳相同。將螺旋槳敞水效率計算值與含舵推力效率計算值進行比較，結果如表3和圖4所示。從表3和圖4可以看出，舵的存在有助于改善螺旋槳的性能，在設計進速系數J=0.5處，螺旋槳的效率增加值為1.38%，這與試驗結果表明舵可對螺旋槳的性能產生有利干擾的結論是一致的。

2.3 槳-舵-舵球組合的數值計算結果及分析

在槳舵組合的基礎上加入舵球的模型，建立螺旋槳-舵-舵球系統，進行數值計算，計算域、網格劃分、邊界條件的設置及計算時的參數設置均與孤立螺旋槳相同。將螺旋槳含舵球附加推力效率計算值與含舵附加推力效率計算值進行比較，結果如表4和圖5所示。從表4和圖5中可以看出，加裝了舵球之后，螺旋槳的效率有所增加。與含舵相比，在設計進速系數J=0.5處效率增加值為4.895%，且效率增加值隨著進速系數的增加而增大。

2.4 舵球參數對螺旋槳效率的影響

舵球的直徑對節能效果的影響顯著，為得到合適的舵球直徑，本文改變舵球直徑設計參數并進行了一系列計算。螺旋槳模型仍采用上一算例中的模型 AU5-593。進速系數取為J=0.5，舵球直徑在0.050m~0.077m（即舵球直徑與螺旋槳直徑之比為0.208~0.300）之間變化。計算結果如圖6所示。圖6顯示，在此舵球直徑變化范圍內，螺旋槳效率改變較大。總體來說，舵球直徑與螺旋槳直徑之比在0.208~0.292之間變化時，舵球的節能效果良好，并且有逐漸增大的趨勢。在舵球直徑與螺旋槳直徑之比為0.292處，其節能效果最好，達7.66%。

表3 螺旋槳效率與含舵附加推力效率的比較

表4 含舵球附加推力效率與含舵附加推力效率的比較

圖4 螺旋槳效率與含舵推力效率比較

圖5 含舵球附加推力效率與含舵附加推力效率的比較

圖6 不同舵球直徑下的節能效果

3 結論

借助CFD商業軟件FLUENT作為求解器，使用GAMBIT劃分網格，運用滑移網格技術，采用大渦模擬計算了孤立螺旋槳、槳舵組合、螺旋槳-舵-舵球系統的水動力性能，得到的計算結果與試驗值較為吻合，初步驗證了該計算方法的可靠性。計算結果表明，舵可對螺旋槳的性能產生有利的干擾，而舵球可起到明顯的節能效果，并且舵球的節能效果與舵球尺寸之間存在一定的關系，這對舵球的實際運用提供了一定的理論參考。

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