基于CFD的某化學品船預旋定子優化

韓聰，傅慧萍，2，馬寧，2，楊晨俊，2

1高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海200240

2上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200240

基于CFD的某化學品船預旋定子優化

韓聰1，傅慧萍1，2，馬寧1，2，楊晨俊1，2

1高新船舶與深海開發裝備協同創新中心，上海200240

2上海交通大學海洋工程國家重點實驗室，上海200240

基于CFD通用軟件FLUENT，對模型尺度下配置了舵球鰭和預旋定子的某55k DWT化學品船的自航性能進行數值模擬。通過推進效率的提高對定子的節能效果進行評估，并且幾乎所有的自航因子在加定子后的變化趨勢（如：轉速降低、推力減額和伴流分數增大）計算結果都與試驗結果一致。尾流能量分析進一步驗證了定子的節能效果：可有效減少尾流中的動能。之后進行基于CFD的預旋定子優化，對原型之外的3個改型設計進行的數值模擬結果顯示：這些改型定子的節能效果依次遞增；推進效率最高的改型相對于無定子情形，其在槳前的動能增加最大，在槳后的動能減少也最大。

預旋定子；節能；自航；優化

0 引 言

船舶節能的重要性已為世界各國認識到，船舶節能技術也受到廣泛關注。與新型節能船舶或高效螺旋槳相比，導管、舵球鰭及扭曲舵等水動力節能附體無疑具有代價低、高效易實施等優勢［1］。其中，預旋定子是置于艉部螺旋槳前的一種節能裝置。通常，同時使用2種及以上不同類型的節能附體可以得到更好的節能效果。大宇造船曾報道：通過扭曲舵、舵球及預旋定子的組合，節能效果可達3%～6%［2］。

楊帆等［3］對大型散貨船的預旋定子進行了節能效果評估。數值模擬得到的推進效率提高約3.1%，而模型試驗為6.0%。通過速度矢量圖和尾流能量計算進行了節能機理分析，結果顯示：定子的尾部襟翼產生了預旋效果。

黃樹權等［4］通過收到功率的降低對某散貨船的預旋定子進行了節能效果評估。數值模擬結果顯示：扭矩增加而轉速降低，收到功率降低約1.05%，而模型試驗為3.40%。之后，他們又嘗試了預旋定子與導管的組合［5］。這一次數值模擬得到的節能效果約為2.48%，而模型試驗為2.86%，兩者吻合較好。

苗飛等［6］對預旋導管內的定子葉片周向布置形式進行了分析（不考慮船體）。研究了單個葉片的周向影響范圍及攻角對切向預旋作用的影響，并建議2個葉片的最佳角度為45°。之后，苗飛等又對文獻［4］中的CFD結果進行了后處理及分析。通過定子葉片上的壓力云圖及其對船舶尾流動能的影響得到定子阻力特性及其預旋節能機理［7］。

Gao等［8］通過改變周向布置、葉片數及葉片攻角，為某雙體船設計了預旋定子以改善伴流分布及艉部流場，從而增加螺旋槳預旋流動并減少旋轉動能損失。凌乃俊等［9］基于升力線理論和CFD數值方法，通過引進一個加權因子，在推進效率和阻力之間得到了預旋定子的最佳環量設計。?elik等［10］基于升力線理論給出了一個螺旋槳后置定子的設計程序。Park等［11］為實尺度帶節能附體船舶提出了一種可靠、高效的推進性能預報方法，該方法相比實尺度CFD，計算消耗的計算資源及計算時間均較少。

本文將根據流體技術開發公司（Fluid Technology Company，FTC）提供的SSPA模型試驗報告對節能效果評估的數值模擬方法進行校驗。在原型定子的基礎上提出3個改型，并圍繞它們進行自航計算，提出一些優化方向。

1 模型與網格

1.1 幾何建模

圖1所示為計算對象——某化學品船。坐標系定義如下：坐標原點位于船底基線上舵軸位置；x軸指向船艏；y軸鉛垂向上；z軸按右手規則，指向船右側（從后往前看）。

圖1 坐標及建模示意圖Fig.1 Coordinate system and modeling of stern，stator，propeller and rudder-bulb-fin

表1給出了實船主尺度和根據縮尺比1∶27.083=0.036 9換算得到的模型主尺度等參數。其中，Lwl為模型水線長，Tdes為設計水深，DP為螺旋槳直徑，U0為船速。此外，濕表面積Swl= 11.713 6 m2，雷諾數Re=8.476×106，傅汝德數Fr= 0.176。

表1 主尺度Table 1 Main particulars

1.2 網格設計

采用模塊化網格設計。除圖2所示不帶定子網格之外，本文的計算至少還需要生成4套帶定子網格（圖3），分別對應于原型定子和3個改型定子。每套網格都包括2個區域：遠場和近壁區，每個區域又包含若干個體網格。遠場網格可完全共用，近壁區大部分體網格也可共用，僅艉部下方附體域中對應于定子區域的個別體網格需要置換。

2 螺旋槳敞水性能計算

采用單流道計算敞水性能，流域為1/4個圓柱體，入口取在槳盤面上游6DP處，出口取在槳盤面下游12DP處，圓柱體直徑為12DP。包含槳葉的子域采用四面體單元離散，其它區域采用三棱柱或六面體單元離散，單元總數約94萬。采用SSTk-ω湍流模型。圖4給出了敞水性能曲線的計算值與試驗值（包括多項式擬合曲線）的比較。在自航點J=0.4附近，KT，KQ，η0的計算誤差分別為2.2%，6.0%和-4.1%，對于采用等推力法的自航模擬計算，此網格精度及計算方法是適用的。

圖2 不帶定子網格Fig.2 Mesh without stator

圖3 帶定子網格Fig.3 Mesh with stator

圖4 敞水性能曲線Fig.4 Open water performance curves

3 自航計算

3.1 不帶定子

計算采用多參考系（Multi-Reference Frame，MRF）方法在實船自航點上進行。因此，將調節螺旋槳轉速，在施加拖曳力的情形下達到來流方向上力的平衡。此處拖曳力即為摩擦阻力修正值SFC，有

式中：T為螺旋槳推力；RT,SP為自航總阻力。按試驗時的工況，在實船自航點附近對螺旋槳轉速進行近似取值。令SFC=14.10 N，n=8.85 s-1，進行自航計算。得到推力T和總阻力RT,SP，將其代入式（2），得到此轉速下的推力余量Te。

如果Te＞0，嘗試較低的轉速；反之亦然。由此，得到符號相反的2個推力余量（圖5）。然后進行插值，得到推力余量為0對應的轉速n=9.23 s-1。重新進行此轉速下的船槳整體計算，并最終確定自航推力T=45.899 0 N，Q=1.394 4 N·m；對應的推力系數和扭矩系數分別為KT=0.162 4，KQ=0.020 6。

圖5 推力余量Fig.5 Excess thrusts at different rates of rotation

根據等推力法則，查詢敞水性能曲線，得到進速系數J=0.451，敞水扭矩及敞水效率分別為將不帶螺旋槳的拖航計算得到的拖航阻力RT,Tow=47.764 1 N代入推力減額分數計算式，得到t=(RT,SP-RT,Tow)/T= 0.271。由進速系數J及轉速n推得進速va=J·nD=1.0 m/s，從而得到伴流系數w=1-va/U= 0.302。由此得到船身效率和相對旋轉效率分別為ηH=(1-t)/(1-w)=1.044，ηR=KQ0/KQ=1.015。最終得到推進效率ηD=ηHη0ηR=0.591。表2給出了自航計算結果及其與試驗值的比較。盡管誤差略微偏大，但不影響加定子前后的相對比較。

表2 計算結果（不帶定子）Table 2 Computational results without stator

3.2 原型定子Case 1

為便于表達，對定子各葉片進行編號（圖6）。由表3可見，定子對自航性能的改善在定性比較上已基本完成，除相對旋轉效率一項之外，各自航因子的上升和下降與試驗基本吻合。但由于這個量值本身較小，對最后的計算結果影響不大。節能定子Case 1的推進效率較之不帶定子情形提高了5.1%，這個增量在數值上比試驗值2.7%偏高，定子的節能效果得到了計算驗證。

圖6 原型Case 1示意圖Fig.6 Configuration of the prototype Case 1

表3 帶定子前后的比較Table 3 Comparison between with and without stator

3.3 改型定子Case A～C

為了得到最佳節能效果，原型定子Case 1被優化成3個改型：Case A～C（圖7）。嘗試去掉Case 1的右舷2個葉片S2和S3，僅保留3個葉片（左舷2個，右舷1個）。P1和S1加長并下移，P2則縮短并增大攻角，得到Case A。由表4可見，Case A的推進效率略高于Case 1。令Case A的葉片P2逆時針旋轉90°拷貝生成一個新葉片，得到Case B。由表4可見，Case B的推進效率比Case 1的提高了近1.3%。進一步借鑒Mewis導管專利文獻中的定子布置，令Case B的葉片P1和P2順時針旋轉22.5°，P3順時針旋轉40°，得到Case C。由表4可見，Case C的推進效率按照預期進一步提高，與Case 1相比提高了1.6%。

圖7 3個改型Fig.7 Three optimized types

表4 改型與原型之間的比較Table 4 Comparison of Case A～C and Case 1

4 尾流動能分析

圖8給出了螺旋槳、節能定子及舵球鰭的相對位置，以及槳前截面A、槳盤面B和槳后截面C的位置示意。3個截面均為以槳軸中心線為基準的圓面，其直徑為螺旋槳直徑的1.05倍，3個面兩兩相距0.1Dp。

圖8 槳盤面及與其平行的前后2個截面Fig.8 Propeller plane and two parallel sections

船舶在航行時螺旋槳吸收主機功率，推動船舶前進，但是螺旋槳吸收的功率并不能全部用于克服船舶阻力，有相當一部分能量損失在螺旋槳的尾流中。節能裝置（例如前置定子）的作用就是減小尾流中的能量損失，提高推進效率，以達到節能的作用。因此，用能量的觀點來分析船尾流場能夠簡潔明了地展示節能裝置的節能機理。首先定義在尾流中單位時間內通過某截面Sw處的軸向動能Eax和橫向動能Etr：

總動能為

無因次化之后為：

式中：Va，Vt和Vr分別為尾流中的軸向速度、切向速度和徑向速度；Vs為遠方來流速度；Sw為某截面面積。這里，橫向動能Etr其實是切向和徑向動能的總和。當總動能Ktotal=0時，說明尾流中沒有動能損失；當Ktotal＞0時，說明推進系統的能量有一部分浪費在了尾流中。Ktotal值越大，說明損失在尾流中的能量越多。表5～表7分別給出了3個改型定子及原型定子與不加定子情形下的船尾截面A，B和C處的尾流動能比較。表中：ΔKtotal為帶定子的Ktotal與不帶定子的Ktotal差值相對百分比，ΔKax和ΔKtr的定義類似。

表5 截面A上的動能增量Table 5 The increment of kinetic energy on section A relative to that without stator respectively

表6 截面B上的動能增量Table 6 The increment of kinetic energy on section B relative to that without stator respectively

表7 截面C上的動能增量Table 7 The increment of kinetic energy on section C relative to that without stator respectivly

由表5可知，4型定子相較于無定子情形，槳前動能都有所增加，尤其是Case C。由表6和表7可知，通過槳盤面及槳后截面的總動能無一例外均減小，尤其是槳后截面。也就是說前置定子的預旋作用減少了螺旋槳的尾流動能從而產生節能效果。對于推進效率最高的Case C而言，相較于其它3型定子，其槳前動能增加最大，槳后動能減少也最大。

5 結 語

預旋定子的節能效果通過基于CFD的自航計算得到了評估。通過尾流能量分析，節能機理得到了驗證：定子在槳前產生了反向預旋，這種預旋減少了槳后動能損失，從而產生了節能效果。3個改型定子與原型定子的比較顯示：推進效率最高的改型，其在槳前的動能增加最大，槳后的動能減少也最大；前置預旋定子左舷側的葉片數多于右舷側，節能效果會更好。

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Optimization of pre-swirl stators based on CFD for a chemical product carrier

HAN Cong1，FU Huiping1，2，MA Ning1，2，YANG Chenjun1，2

1 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China

2 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

The viscous self-propulsion flow fields of a model-scaled 55k DWT chemical product carrier fitted with a rudder-bulb-fin and a pre-swirl stator are numerically simulated based on the CFD general code FLUENT.The energy saving effects of stators are evaluated through the increase of propulsive efficiency.It is found that the computed changing tendencies of almost all self-propulsion factors after being equipped with a stator are the same as in the experiments,such as a decreased revolution rate, increased thrust deduction and mean wake.A wake energy analysis is also conducted to verify the energy-saving effects of stators,and it shows that the stator decreases the flow of kinetic energy behind the propeller through its contra-propeller pre-swirl.Next,an optimization of pre-swirl stators is conducted by CFD.Aside from the prototype stator,three modified stators are designed and the self-propulsion characteristics with these stators are also numerically simulated.The increase order of the evaluated energy-saving effects of these modified stators is seen to be the same as in the design idea.The case with the highest propulsive efficiency shows the largest increase ofKtotalbefore the propeller and the largest decrease ofKtotalbehind the propeller relative to cases without stators.

pre-swirl stator；energy-saving；self-propulsion；optimization

U664.33

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.012

2016-04-28

2016-12-28 15:41

韓聰，男，1994年生，碩士生。研究方向：船舶計算流體力學傅慧萍（通信作者），女，1972年生，博士，副教授。研究方向：船舶計算流體力學。E-mail：fuhp@sjtu.edu.cn馬寧，男，1961年生，博士，教授。研究方向：耐波性及船舶總體設計。E-mail：ningma@sjtu.edu.cn

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20161228.1541.018.html期刊網址：www.ship-research.com

韓聰，傅慧萍，馬寧，等.基于CFD的某化學品船預旋定子優化［J］.中國艦船研究，2017，12（1）：78-83. HAN C，FU H P，MA N，et al.Optimization of pre-swirl stators based on CFD for a chemical product carrier［J］. Chinese Journal of Ship Research，2017，12（1）：78-83.