扭曲舵+舵球節能效果數值模擬

邱云鋒, 白明根, 邰宜峰

(1.上海船舶研究設計院，上海 201203； 2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

近年來，隨著綠色船舶概念的深入，節能裝置的開發和應用成為船舶工程領域的研究熱點。目前，已有多種形式的節能裝置被應用到實船上，并取得良好效果，如槳前節能導管、伴流補償導管、槳后轂帽鰭、舵球、扭曲舵等。這些裝置的節能原理不盡相同，但都是通過提高螺旋槳的推進效率或船身效率達到節能效果。為獲得更好的節能效果，有時會將多種節能原理不同的節能裝置組合使用。由于節能裝置之間存在流動的相互干擾現象，節能裝置組合使用時的節能效果評估一直是節能裝置開發的難點之一。此外，節能裝置組合使用的節能原理及其對船舶周圍流場的影響尚待研究。

扭曲舵相當于一個固定導葉被置于螺旋槳尾流中，通過降低舵的阻力提高推進效率[1-2]。舵球可改善螺旋槳轂渦，降低螺旋槳槳轂阻力[3-4]。這兩種裝置的節能原理不同，組合使用可能獲得更高的推進效率。但是，目前關于扭曲舵和舵球的研究大部分是單獨考慮各自的效果，針對扭曲舵和舵球組合方案的研究工作較少。

本文針對1艘海上油田環保作業船分析扭曲舵+舵球組合形式的推進效率及其對流動細節的影響，如波形、船體表面動壓力等。基于計算流體動力學(Computational Fluid Dynamics， CFD)對平板舵和扭曲舵+舵球的自航狀態進行數值模擬，采用滑移網格法模擬螺旋槳旋轉，并將數值結果與試驗結果進行對比，驗證數值方法的可靠性，同時對比分析兩種舵型方案在螺旋槳推進效率和流動細節上的差異。

1 數值方法

CFD的計算采用商業CFD軟件STAR-CCM+。該軟件在船舶與海洋工程領域應用較廣，具有良好的可靠性。STAR-CCM+基于有限體積法求解流場，控制方程包括連續性方程和Reynolds平均Navier-Stokes方程，即RANS方程

(1)

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式(1)和式(2)中：i、j為變量在坐標系中i和j方向的分量；p為壓力；u為速度矢量；l為坐標軸分量；ρ為流體密度；μ為流體動力黏性系數；g為質量力；δij為克羅尼克爾符號，當i=j時，δij=1，否則δij=0。流項離散采用二階精度的迎風格式，并采用隱式格式進行時間積分。湍流模型采用SSTk-ω兩方程湍流模型。SSTk-ω模型是結合k-ε模型和原始k-ω模型的混合方法，湍動能k和湍動耗散率ω的求解方程為

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：Γk和Γω為k和ω的擴散率；Gk和Gω為層流速度梯度產生的影響；Yk和Yω為擴散產生的湍流。

在STAR-CCM+中自由面捕捉采用流體體積函數 (Volume of Fluid, VOF) 方法。VOF方法是一種典型的自由面捕捉方法，計算方程為

(5)

式中：f為流體的體積函數，f=1表示網格單元內充滿該相流體，f=0則表示網格內不含該相流體，0

2 船型信息

本文模擬選擇的船型為海上油田環保作業船，該類型船主要用于溢油應急指揮、監測和回收等。船體主尺度如表1所示。該船采用雙尾鰭推進方式，如圖1所示。螺旋槳為4葉外旋槳，主要參數如表2所示。主要研究該船兩種舵型方案的推進效率，即平板舵方案和扭曲舵+舵球組合方案。扭曲舵主要通過減小螺旋槳尾流中的旋轉能量提高推進效率，舵球主要針對螺旋槳的轂渦進行改善，這兩種節能方式各有優缺點，常組合使用以獲得更好的節能效果。兩種舵型如圖2所示，其中圖2a)和圖2b)是原始舵型，圖2c)和圖2d)是扭曲舵與舵球的組合形式。

表1 船舶主尺度

圖1 海上油田環保作業船側視效果圖

項目實船模型直徑/m4.00.220盤面比0.550.55葉數/葉44旋轉方向外旋外旋

圖2 平板舵和扭曲舵+舵球方案幾何構型

3 計算網格

計算網格采用STAR-CCM+自帶的Trimmed cell網格，該網格為非結構六面體網格。計算域整體網格劃分如圖3所示。由于計算的船型為雙尾鰭推進形式，流場具有對稱性，因此計算僅考慮左舷側的流動。螺旋槳的旋轉采用滑移網格法實現。相對于參考坐標系法[5]，滑移網格法可更真實地模擬螺旋槳旋轉的影響，具有較高的精度[6-10]。為提高計算準確性，對螺旋槳和自由面附近的網格進行加密，計算域取長方體，大小為：船前和頂部為1.0倍船長，兩側和底部為1.5倍船長，船后為2.0倍船長。船前、后兩側和上、下面均為來流邊界條件，x軸負向為壓力出口邊界。整體計算網格總數約為430萬個，其中船體部分網格為283萬個，螺旋槳所在區域網格數為147萬個。

圖3 計算域網格劃分

4 計算結果及分析

對在設計航速Vs=16.0 kn下兩種舵型方案的自航進行計算，并與船模試驗結果進行對比，驗證數值結果的可靠性。計算結果如表3所示，可以看到，數值結果與試驗結果一致，表明計算具有一定的精度。在CFD計算中通過調整轉速以保證船體受到的強制力達到設定值。帶有節能裝置后，濕表面積略有增加，因此帶節能裝置 (Energy Saving Device, ESD) 方案與不帶節能裝置方案的強制力略有不同。強制力FD的計算式為

(6)

式中：Sm為船體濕表面積；Vm為船模航速；CFm為船模摩擦阻力因數；CF為實船摩擦阻力因數；CA為補貼因數，隨船型而變化。

表3 平板舵與扭曲舵+舵球的試驗與CFD結果對比

從表3可以看出：CFD計算結果與試驗數據吻合。試驗和CFD均表明，采用扭曲舵+舵球可提高推力，降低螺旋槳轉速，從而提高推進效率，起到節能的效果。圖4對比兩種舵型方案的船體尾部流線，可以看出，扭曲舵+舵球對螺旋槳尾流有整流的效果，而平板舵方案存在較強的螺旋槳槳轂渦。相對而言，舵球的存在改善了槳轂渦的強度，起到節能效果。圖5和圖6對比兩種舵型方案的舵表面動壓力分布。對于平板舵方案，舵的導邊處存在明顯高壓和低壓區，這與螺旋槳的誘導速度場有關。由于螺旋槳為外旋槳，因此舵的外表面低于槳軸處出現高壓區，而在舵的內表面高于槳軸處存在明顯的低壓區。相對來說，在扭曲舵+舵球方案中舵表面的高壓區較小，而低壓區轉移至舵葉中部附近。另外，對比舵葉隨邊處的壓力可以看出，扭曲舵+舵球方案壓力較大，因此采用扭曲舵+舵球方案時舵受到的阻力較小。圖7為兩種舵型方案的流場波形，可以看出舵型對整體船體興波影響較小，船體尾部波形存在一定程度的不同，但波高變化不明顯。

圖4 流動瞬間舵附近流線分布

圖5 平板舵方案動壓力分布

圖6 扭曲舵+舵球方案動壓力分布

圖7 平板舵與扭曲舵+舵球方案船體興波對比

5 結 論

基于CFD對海上油田環保作業船兩種舵型方案(平板舵和扭曲舵+舵球)的自航進行數值模擬，計算得到的螺旋槳轉速、推力和扭矩與試驗結果一致，表明采用的數值方法具有一定可靠性。試驗和數值結果均表明采用扭曲舵+舵球可提高螺旋槳推力，降低轉速，從而提高推進效率。從流動細節上看，采用扭曲舵+舵球可減小螺旋槳轂渦強度，并減小舵導邊處高壓區，但對船體興波影響不大。