TEU系列集裝箱船螺旋槳轂帽鰭的計算與試驗驗證

田曉慶，邵漢東，潘玉鵬，潘華辰

（1.杭州電子科技大學 海洋工程系，杭州 310018；2.揚帆船舶設計研究院，浙江舟山 316100）

0 引言

近年來，隨著國際海事組織IMO（International Maritime Organization）對船舶安全和溫室氣體排放等標準的提高及 EEDI（Energy Efficiency Design Index）指數的提出[1]，使我國乃至全球的船舶工業都面臨著巨大的挑戰和訂單影響。鑒于此，船舶節能減排問題已提升到前所未有的高度。

螺旋槳轂帽鰭PBCF（Propeller Boss Cap Fins）作為一種船舶節能裝置，由于其結構簡單、安裝方便，近年來已成為船舶行業研究的熱點之一[2]。實驗研究方面，龔其福[3]等采用反向敞水實驗，對轂帽鰭的最佳參數進行了實驗研究，發現轂帽鰭能提高螺旋槳的推動效率。至 2009年，中船重工 702所又采用激光測速儀（LDV）對轂帽鰭安裝前后流場的特性進行了研究，驗證了轂帽鰭能改善螺旋槳的尾流特性[4]。為了進一步驗證轂帽鰭的節能效率，文獻[5]進行了PBCF兩種不同安裝方案的對比研究，發現PBCF能提高螺旋槳的敞水特性，但是安裝方式對其驅動效率的影響各異。

隨著計算流體（Computational Fluid Dynamics，CFD）的發展，螺旋槳PBCF設計和優化的數值模擬研究也日新月異。先后有了Xiong Ying[6]等，對PBCF形狀的優化設計，Takafumi Kawamura[7]等對實船的數值模擬，并將其與試驗結果進行對比分析，驗證了實船尺度比船模更能提高螺旋槳的推力和效率。上海船舶運輸科學研究院也對槳-PBCF-舵的水動力性能進行數值計算研究，發現無舵時PBCF的節能效率高于有舵時[8]，大連理工大學還建立了有舵和無舵狀況下，PBCF的最佳參數[9]。也有學者通過 CFD的方法驗證了轂帽鰭葉片的安裝角度對PBCF的節能效率有較大影響[10]。Jeonghwa Seo[11]等采用實驗和數值模擬相結合的方法對這一結論進行了驗證。

然而，這些研究大都針對某一種特定的船型，大都是螺旋槳和PBCF的獨立設計。鑒于此，針對典型的TEU系列大型集裝箱船，以其快速性為研究對象，對螺旋槳和PBCF進行一體化設計。

1 轂帽鰭的設計

選用 TEU系列某一特定的集裝箱船為研究對象（該船型的特征參數如表1所示），依次建立船模和實船的三維數值計算模型。

表1 船型參數表

基于SHIPFLOW中的ZONAL方法，將整個船體劃分為3個區域：勢流區、薄邊界層區和湍流區。采用面元法，運用k-ωSST和EASM湍流模型，結合無壁面函數依次計算出船體伴流場，并將其作為螺旋槳和轂帽鰭的來流條件。基于高效槳葉剖面的流場特性，設計出伴流的最佳側斜和縱傾分布。同時，適當提高螺旋槳根部的環量，最終設計出如圖1所示的適用于該螺旋槳的轂帽鰭，槳和鰭的各個特征參數見表2。

圖1 螺旋槳和轂帽鰭

表2 螺旋槳和轂帽鰭的主要參數

2 槳鰭的實驗結果及分析

為避免轂帽鰭的尺寸效應影響測量效果，采用目前國際上頂級的空泡水筒進行螺旋槳轂帽鰭的增效試驗，并將空泡水洞試驗中所得到的安裝和未安裝轂帽鰭的螺旋槳敞水性能差量添加到常規的敞水試驗結果之中。

表3 轂帽鰭模型空泡水筒試驗結果

其中，J表示螺旋槳的進速系數；Kt、Kq，η分別代表螺旋槳帶轂帽鰭和不安裝轂帽鰭時的推力系數、扭矩系數和敞水效率之比。

槳-鰭和槳本身試驗結果可以看出：添加轂帽鰭可以提升螺旋槳的推力系數，同時，降低了其扭矩系數；并且隨著進速系數的提升，螺旋槳的敞水效率也逐漸提升。

為了充分驗證螺旋槳轂帽鰭的作用效果，除空泡水筒增效試驗外，還依次進行了船模和實船的敞水試驗、阻力試驗和自航試驗，各個測量結果依次如表4和表5所示。

表4 船模敞水試驗結果

表5 實船敞水試驗結果

從表4和表5中可以看出：隨著進速系數的提升，推力系數和扭矩系數都呈下降趨勢，螺旋槳的敞水效率呈線性增加（圖2）。

同時，實船比船模的敞水效率高一個百分點左右，并且隨著螺旋槳進速系數的提升，敞水效率的提高速度也有所增加（增幅為0.90%～1.46%）。對比表5和表6可以看出，添加轂帽鰭的實船相對原船原槳，敞水效率均有一定程度的提升，并且隨著進速系數的提升，敞水效率的增幅也有一定的增加（增幅為1.80%～2.11%）。

為進一步驗證轂帽鰭的優越性，采用實船為研究對象，先后以帶轂帽鰭和不加裝轂帽鰭的槳鰭船體為研究對象，依次對不同航速下，船體結構吃水、設計吃水和壓載吃水時，收到功率進行了測量，具體結果如表7所示。

表6 帶轂帽鰭實船試驗結果

圖2 不同進速系數時，敞水試驗效率

其中，DT0表示未添加轂帽鰭的船舶參數，DT1表示添加轂帽鰭以后所對應的各個參數。

對比優化方案與原方案（表7）可以看出：結構吃水時，相同航速下收到功率降低了近 5%，相同功率下航速提升了0.24 kn；設計吃水時，收到功率降低了8%，相同功率下航速也提高了0.38 kn；壓載吃水時，相同航速下收到功率降低了近 5%，相同功率下航速提升了0.23 kn。

3 結論

運用船舶設計CFD中的槳-船一體化技術，對TEU系列某一特定船型的螺旋槳進行優化設計，并用CFD中伴流模型對轂帽鰭的性能進行了驗證。接著，引入船模和實船的敞水試驗，依次進行了阻力試驗和自航試驗，通過數值模擬和試驗研究發現如下結論。

1）新型帶轂帽鰭的設計槳比原船原槳收到功率下降5%～8%，同時，相同功率下可將船舶的航速提升0.23 kn～0.38 kn。

2）新型帶轂帽鰭的設計槳比原船原槳時，船舶的敞水效率提升近2個百分點，并且隨著螺旋槳進速系數的提升，船舶敞水效率的提升量也隨之增加。

表7 帶轂帽鰭與不帶轂帽鰭的原槳收到功率

3）船舶任意航速時，實船比船模的敞水效率高1個百分點左右，并且隨著螺旋槳進速系數的提升，效率的提高速度也有所增加。