四槳船舶內(nèi)外槳負(fù)荷差尺度效應(yīng)分析

2020-01-14 02:28:44王文全

艦船科學(xué)技術(shù) 2019年12期

王勇，王文全

(1.海軍裝備項目管理中心，北京，100071；2.中國船舶及海洋工程設(shè)計研究院，上海，200011)

0 引言

隨著船舶航速、噸位以及主機功率不斷增加，四槳推進船舶的應(yīng)用越來越多。由于四槳船舶內(nèi)外槳采用前后布置，內(nèi)外槳工作的伴流場存在差異，因而內(nèi)外槳負(fù)荷也會存在差異，近年多型四槳船舶在實船試驗中出現(xiàn)內(nèi)外槳負(fù)荷差異大的現(xiàn)象，對四槳船舶的船機槳匹配產(chǎn)生不利影響，主要體現(xiàn)在轉(zhuǎn)速達(dá)不到額定值，最大航速到不到指標(biāo)，主機超負(fù)荷，嚴(yán)重時可能會出現(xiàn)拉缸等問題。針對四槳船舶內(nèi)外槳負(fù)荷分配問題，多家研究單位開展了船后螺旋槳和附體對伴流場和水動力性能的影響研究[1-3]，針對內(nèi)外槳負(fù)荷差異現(xiàn)象，提出了螺旋槳差異化設(shè)計方法[4]。

本文針對四槳船舶在拖曳水池自航模型試驗中難以有效模擬內(nèi)外槳負(fù)荷差的現(xiàn)象，建立四槳船舶自航數(shù)值計算方法，開展四槳船舶內(nèi)外槳負(fù)荷數(shù)值計算和內(nèi)外槳伴流場數(shù)值計算：對比不同縮尺比下四槳船舶內(nèi)外槳負(fù)荷和伴流場計算結(jié)果，分析四槳船舶內(nèi)外槳負(fù)荷差尺度效應(yīng)影響規(guī)律。

1 數(shù)值計算方法

1.1 仿真計算前處理

1）建立三維數(shù)字模型

船體型線圖、附體圖和螺旋槳型線圖為設(shè)計輸入，在滿足計算要求的前提下，對船體及附體（包括前機爐、后機爐、前軸包套、前支架、后軸包套、后支架、舭龍骨、呆木、舵）使用UG 軟件建立三維數(shù)字模型，如圖1 所示。

圖 1 三維數(shù)字模型Fig.1 The three-dimensional digital model

2）建立計算域

本研究計算域尺寸設(shè)置為：入口距離船首1 倍船長，出口距離船尾2 倍船長，左右兩側(cè)距離船舷各1 倍船長，池底距離船底1 倍船長。船體興波阻力的計算考慮自由液面，在初始化設(shè)置中，將船體水線以上部分填充為空氣，水線以下全部填充為水，速度入口劃分為空氣入口和水流入口，但二者速度大小一致，通過改變?nèi)肟诳諝夂退鞯乃俣却笮砟M不同航速下船體的粘性繞流。

由于船體尾部型線曲率較大，且?guī)в写罅啃螤顝?fù)雜的附體，劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格比較困難。為了網(wǎng)格的劃分方便，將船體尾部的一部分流域單獨劃分出來，劃分非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。

船槳一體船舶自航計算時，在槳軸后給內(nèi)外螺旋槳分別創(chuàng)建一個圓柱形小域，小域與槳轂同軸，其直徑等于3.2 倍螺旋槳直徑，通過MRF 方法模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)運動。

3）網(wǎng)格劃分

采用混合形式網(wǎng)格方案，發(fā)揮四面體網(wǎng)格貼體性好和六面體網(wǎng)格計算效率高的優(yōu)點。計算域內(nèi)的大部分結(jié)構(gòu)使用六面體網(wǎng)格，只在特別復(fù)雜的部位采用非結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)格劃分形式，提高計算結(jié)果的精度。

網(wǎng)格劃分采用前處理軟件ICEM 完成，結(jié)構(gòu)化六面體網(wǎng)格采取多塊方式劃分，在球鼻首處由于其曲面曲率大，采用O 網(wǎng)剖分提高局部網(wǎng)格質(zhì)量，球鼻首網(wǎng)格如圖3 所示。

圖 2 球首處O 網(wǎng)劃分Fig.2 The O type grid on Bulbous bow

圖 3 船體表面網(wǎng)格Fig.3 The hull surface grid

流域網(wǎng)格的疏密采用近船體流域網(wǎng)格緊密，遠(yuǎn)場流域網(wǎng)格稀疏的原則。為了保證粘性流場計算的準(zhǔn)確性，Y+值控制在60 左右。在模型尺度阻力計算時，為了能較好地捕捉自由液面，對靠近水線處的網(wǎng)格進行適當(dāng)加密。網(wǎng)格劃分如圖3～圖5 所示。

船尾非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，對附體進行局部加密，以更好地表達(dá)其幾何形狀，尾部網(wǎng)格如圖6 所示。整體計算網(wǎng)格數(shù)目為842 萬。

對于船槳一體網(wǎng)格劃分，采用包裹螺旋槳的小域單獨進行網(wǎng)格劃分，通過interface 與船尾網(wǎng)格連接組裝?？紤]到螺旋槳葉片形狀復(fù)雜，對螺旋槳小域采取非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分，并對葉根和葉梢處的網(wǎng)格加密。螺旋槳網(wǎng)格如圖7 和圖8 所示。船槳一體網(wǎng)格如圖9 所示，整船網(wǎng)格總數(shù)為1 200 萬。

圖 4 網(wǎng)格剖面圖

圖 5 數(shù)值水池整體網(wǎng)格Fig.5

圖 6 附體網(wǎng)格示意圖Fig.6 The appendage grid

圖 7 葉梢和葉根處網(wǎng)格示意圖Fig.7

圖 8 螺旋槳網(wǎng)格Fig.8

圖 9 船槳一體網(wǎng)格Fig.9

1.2 計算參數(shù)設(shè)置

1）湍流模型[5]

計算采用RANS 平均法，并選用SST k-ω 模型來數(shù)值模擬船體周圍流體流動。

SST k-ω 的流動方程：

其中：Gk為湍流的動能；Gω為ω 方程；Гk，Гω為k 與ω 的有效擴散項；Yk，Yω為k 與ω 的發(fā)散項；Dω為正交發(fā)散項。

2）VOF 模型[6]

采用VOF 方法來追蹤自由液面，將整個計算區(qū)域定義為Ω，主相流體區(qū)域記為Ω1，副相流體區(qū)域記為Ω2。

此外，在由2 種互不相溶流體構(gòu)成的流場中，流體的速度場記為函數(shù)ω 滿足：

在每個網(wǎng) 格 Iij上定義 ω( →x,t) 在網(wǎng) 格上的積分為 Cij，可以得到VOF 函數(shù)：

VOF 函數(shù)也滿足式（4）：

當(dāng)C=0 時，網(wǎng)格中全為副相流體；當(dāng)C=1 的時，網(wǎng)格充滿主相流體；當(dāng)0＜C＜1 時，則是含有流體界面的網(wǎng)格，成為界面網(wǎng)格。

3）邊界條件設(shè)置

邊界條件設(shè)置為：上游入口采用速度入口，給定均勻來流的速度值；下游出口采用靜壓出口，通過UDF 編寫函數(shù)控制壓力隨水深線性變化，忽略擾動；上邊界和中間面采用對稱面邊界條件；下邊界、側(cè)面以及船體表面定義無滑移、不可穿透的壁面邊界條件。螺旋槳旋轉(zhuǎn)運動通過MRF 方法來模擬。

2 數(shù)值計算方法驗證

2.1 船模阻力數(shù)值模擬

針對某四槳船型，采用數(shù)值計算方法計算全附體船模阻力，并與模型試驗結(jié)果進行比較，如表1 所示。船體周圍流線如圖10 所示。

表 1 船模阻力計算結(jié)果Tab.1 The calculation results of ship model resistance

分析表1 可知，不同航速的試驗值和計算值最大偏差為4.84%，隨著航速的增大，偏差逐漸減小，計算值與試驗值吻合良好，誤差均在5%以內(nèi)。因此，所采用的數(shù)值仿真方法能夠較準(zhǔn)確預(yù)報船模阻力，可用于模擬螺旋槳槳盤面伴流場。

2.2 內(nèi)外槳負(fù)荷數(shù)值模擬

圖 10 阻力計算船體周圍流線圖Fig.10 The flow line around the hull in resistance calculation

針對某四槳船型，采用數(shù)值計算方法，開展實尺度下船槳一體自航計算，得到不同航速的內(nèi)外槳負(fù)荷差，如表2 所示。船體周圍流線如圖11 所示。

表 2 內(nèi)外槳負(fù)荷差Tab.2 The load difference between inside and outside propeller

圖 11 自航計算船體周圍流線圖Fig.11 The flow line around the hull in self-propelled calculation

分析表2 可知，不同航速工況下的內(nèi)外槳負(fù)荷差均在10%以上。隨著航速增加略有減小，在進5 最大航速工況下內(nèi)槳負(fù)荷比外槳大約11%左右，與多型四槳船型出現(xiàn)的內(nèi)外槳負(fù)荷差量級接近。

3 內(nèi)外槳負(fù)荷差尺度效應(yīng)分析

為了分析四槳船型內(nèi)外槳負(fù)荷差尺度效應(yīng)，針對某四槳船型進5 工況下，開展不同縮尺比下的內(nèi)外槳負(fù)荷數(shù)值計算，計算結(jié)果如表3 所示。內(nèi)外槳負(fù)荷差隨尺度變化（雷諾數(shù)）曲線如圖12 所示。

表 3 不同縮尺比下內(nèi)外槳負(fù)荷差Tab.3 The load difference between inside and outside propeller under different scaling ratios

圖 12 內(nèi)外槳負(fù)荷差隨尺度變化曲線Fig.12 The changing curve of load difference between inside and outside propeller under different scaling ratios

分析表3 和圖12 可知，隨著尺度的增大，內(nèi)外槳負(fù)荷差逐漸增大，在縮尺比大于16 時，內(nèi)外槳負(fù)荷差受船模尺度影響較大；當(dāng)縮尺小于16 時，內(nèi)外槳負(fù)荷差受船模尺度影響較小，其中拐點在16 縮尺比處。計算船體模型從1～64 縮尺比下船體雷諾數(shù)均超過臨界雷諾數(shù)（3×105），但在縮尺比較大時，螺旋槳雷諾數(shù)和槳近前方軸支架雷諾數(shù)則低于臨界雷諾數(shù)，螺旋槳和軸支架雷諾數(shù)與負(fù)荷差關(guān)系如表4 所示。

表 4 螺旋槳和軸支架雷諾數(shù)與負(fù)荷差關(guān)系Tab.4 The relationship between the load difference and propeller, shaft bracket

分析表4 可知，在縮尺比為16 時，螺旋槳雷諾數(shù)超過臨界雷諾數(shù)，軸支架接近臨界雷諾數(shù)，此時內(nèi)外槳負(fù)荷差變化速率出現(xiàn)拐點，但縮尺比小于16 時，內(nèi)外槳負(fù)荷差量級基本相當(dāng)。由于軸支架位于螺旋槳近前方對螺旋槳的進流產(chǎn)生較大影響，當(dāng)軸支架雷諾數(shù)小于臨界雷諾數(shù)時，船尾流場與實尺度存在較大差異，導(dǎo)致內(nèi)外槳負(fù)荷差計算值與實尺度相差較大。

4 伴流場尺度效應(yīng)分析

為進一步分析四槳船型內(nèi)外槳負(fù)荷差異的原因，開展全體附體船模不同縮尺比下槳盤面伴流場模擬，得到不同縮尺比下內(nèi)外槳盤面伴流場，如圖13 所示。

分析圖13 可知，橫向?qū)Ρ葋砜?，?nèi)槳伴流更大，伴流分布更加不均勻，主要由于內(nèi)槳更靠近船體，槳盤面伴流受船體的影響更大?？v向比較來看，隨著尺度增大，伴流分?jǐn)?shù)等于0.1 的等值線逐漸向內(nèi)收縮，內(nèi)外槳的伴流逐漸減小。

針對螺旋槳典型半徑0.7R 處，不同尺度下內(nèi)外槳軸向伴流的周向分布如圖14 所示。圖中更直觀的體現(xiàn)了尺度效應(yīng)對伴流的影響，尺度越大，伴流越小。

不同縮尺比下內(nèi)外槳平均軸向伴流分?jǐn)?shù)及伴流分?jǐn)?shù)差如表5 所示。從表5 可知，橫向?qū)Ρ葋砜矗瑑?nèi)槳伴流分?jǐn)?shù)更大?？v向比較來看，隨著尺度增大，平均軸向伴流逐漸減小。隨著尺度的增加，內(nèi)外槳的伴流分?jǐn)?shù)差逐漸增大。

表 5 不同縮尺比下內(nèi)外槳平均軸向伴流分?jǐn)?shù)及伴流分?jǐn)?shù)差Tab.5 The average axial wake fraction and wake fraction difference of inside and outside propeller under different scaling ratios