清漂船明輪推進數值模擬

劉光遠，倪 雁，王 勇，倪福生

(1.河海大學疏浚技術教育部工程研究中心，江蘇 常州 213022) (2.中交上海航道勘察設計研究院有限公司，上海 200120) (3.江蘇省水利機械制造有限公司，江蘇 揚州 225000)

隨著時代的進步，我國的工業化建設愈發成熟，然而河流湖泊由于常年受到富營養化的威脅，水生植被的瘋狂生長使河湖生態的治理到了刻不容緩的地步。

為清理水生植被以及漂浮物，以往采用的方法是人工打撈，效率低下且對作業人員來說具有一定的危險性，相比之下使用清漂船則要安全高效得多。一般船舶多采用螺旋槳推進器，而清漂船采用的是明輪推進器，與螺旋槳推進器相比其具有受水深影響小、不易被纏繞等優點，極適合在水草密布水域工作[1-2]。

探究明輪推進器的特性可為其使用和改進提供參考，常用的方法有模型試驗[3]和數值模擬等。隨著計算流體力學的發展和計算機性能的不斷提高，如今數值模擬結果的精度已經能滿足工程應用的要求，相比模型試驗，數值模擬也更加經濟、高效。為實現清漂船明輪推進器的數值模擬，本文以某清漂船所用明輪為例建立了基于多相流(VOF)的湍流模型，通過分析不同時刻流場相圖、流場流線圖和明輪推力，探索網格數量和時間步長對模擬結果的影響。

1 二維建模及計算

本文在SolidWorks中建立明輪的三維模型，然后導入Gambit軟件中再建立整個流場的二維幾何模型并進行網格劃分，設定邊界條件等參數后用Fluent進行解算。

1.1 明輪結構

圖1所示為典型的帶有明輪推進器的清漂船，圖2所示為明輪的三維模型，表1列出了該明輪推進器的主要參數。

圖1 典型明輪清漂船

圖2 明輪三維模型

表1 明輪推進器主要參數

1.2 Gambit建模及網格劃分

直接使用Gambit建模能防止其他軟件模型導入時產生的誤差。明輪的全流場幾何模型如圖3所示，模型包括了明輪、來流區域以及尾流區域等。整個矩形流場尺寸為長25 000 mm×高4 000 mm，其中明輪直徑D為1 500 mm；來流區域長為5.33D，使得來流平穩均勻；尾流區域長為11.33D，可避免波浪回流對明輪運動的干擾；初始狀態下，流場上部空氣區高1.50D，下部水流區高1.17D。

圖3 全流場幾何模型及網格劃分

數值模擬結果受模型網格劃分、邊界條件設定等因素的影響。另外由于明輪推進器工作時與氣液兩相同時接觸，快速旋轉時對兩相的強烈擾動致使流場很難達到穩態，因此模擬時需要利用瞬態模式進行仿真計算。鑒于網格數量和時間步長的大小對瞬態計算的穩定性、收斂性有重要的影響，故確定適合本文明輪模型的網格數量和時間步長是有意義的。為分析上述因素對仿真結果的影響，網格數量分別設置為5萬、10萬和20萬；時間步長分別設置為0.025 0 s、0.010 0 s、0.005 0 s和0.002 5 s。

劃分網格時，流場上下底面采用三角形網格劃分，其余區域采用四邊形網格劃分，以充分利用有限的計算資源；對明輪蹼板周圍及可能產生氣液兩相交界的區域進行加密處理以提高計算精度[4]。圖3為網格劃分成20萬(200 543)個網格的流場模型，其中明輪旋轉區域有網格數75 155個。10萬個和5萬個網格模型的劃分方法同上。

1.3 計算模型及邊界條件

明輪推進器屬于半潛式推進器，明輪轉動時會劇烈擾動氣液兩相，因此必須采用VOF模型才能真實反映其流場的變化，同時選用隱格式(implicit)和Implicit Body Force來提高解算精度。為更好地滿足流體動力學方程中的動量方程和連續性方程，選用 PISO(pressure implicit with splitting of operators)算法[5-6]。以滑移網格的形式實現明輪旋轉是最簡便的，故在Fluent設置時，對明輪旋轉區域勾選Mesh Motion。針對宏觀高雷諾數情況，選用標準k-epsilon湍流模型[7]。

以速度入口(velocity-inlet)作為流體入口的邊界條件，出口條件設置為壓力出口(pressure-outlet)，其中上部空氣出口為大氣壓力，下部水流出口使用UDF編譯，為水深的函數。流場的頂部為大氣壓力出口，下底面設為對稱(symmetry)模擬無限遠場[8]。本文模擬的工況為靜水中船速為2 m/s，明輪轉速為60 r/min，流場初始條件為輪心距水面450 mm。在Fluent初始化設置中，設置流場內流體速度為2 m/s，以加快收斂。

2 結果分析

圖4～圖6為網格數為10萬個的流場模型在步長為0.025 0 s時模擬獲得的明輪推進器推力隨時間變化圖、流場相圖變化圖及流場流線變化圖。

圖4 推力變化圖

圖5 流場相圖變化

圖6 流場流線圖變化

推力圖以0.5 s為間隔記錄了明輪轉動100 s過程中明輪推力的變化情況，從圖中可以看出，開始時推力變化幅度較大，在50 s以后推力基本穩定。

流場相圖與流場流線圖展示了不同時刻的流場狀態。明輪啟動時輪圈內水體較多，蹼板與水體充分作用，明輪轉過一周后其內部水體明顯減少，水體與空氣相互摻混；明輪轉過幾周后擾動向尾流區后部傳遞，波浪逐漸形成。一系列變化過程基本符合實際情況[9]。

2.1 網格數量影響

圖7為步長為0.002 5 s時不同網格模型的推力變化圖。圖中可見，10萬個和20萬個網格的模型在該步長下的模擬結果幾乎一致，5萬個網格模型的模擬結果明顯與實際情況不符，因此可以說明該步長下5萬個網格的數量太少。對于本文模型，網格數量應不少于10萬個。

圖7 步長0.002 5 s時不同網格模型推力變化

2.2 時間步長影響

圖8所示為不同步長時明輪推力隨時間的變化情況。比較三幅圖可見，隨著時間步長的減小，10萬個和20萬個網格模型的推力模擬結果逐漸趨于一致。當時間步長減小到0.002 5 s時兩種網格模型的模擬結果基本相同，說明此時推力模擬結果受模型網格數量的影響較小[3]。因此，本文中的模型其時間步長選擇不超過0.002 5 s。

圖8 減小步長對結果影響

3 結論

本文建立了某清漂船明輪推進器的流場模型，并對模型網格劃分和分析時間步長進行了研究，得到以下結論：

1)本文中的流場模型，其劃分的網格數量為10萬個較合理。

2)隨著時間步長的減小，不同網格數量模型所模擬的明輪推力結果差別逐漸減小，最終趨于一致。本文中的流場模型，時間步長取0.002 5 s較為合理。