漁船槳-舵球組合系統(tǒng)節(jié)能效果數(shù)值分析

張春濤，張彬，王慶偉

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院漁業(yè)機(jī)械儀器研究所，上海 200092)

我國(guó)海洋捕撈機(jī)動(dòng)漁船傳統(tǒng)水動(dòng)力設(shè)計(jì)是對(duì)船體型線、螺旋槳、舵分別考慮，難以達(dá)到整體能效最優(yōu)，能耗嚴(yán)重。常規(guī)船舶設(shè)計(jì)中由于艉部船體外板曲率變化較大，水流經(jīng)過艉部和螺旋槳時(shí)，兩者相互作用會(huì)造成一部分能量損失，導(dǎo)致螺旋槳推進(jìn)效率降低。而由螺旋槳設(shè)計(jì)本身提升效率的空間越來越小，為此，多種節(jié)能裝置應(yīng)運(yùn)而生，通過增加附體結(jié)構(gòu)改善船尾的流場(chǎng)分布，提高螺旋槳推進(jìn)效率[1]。舵球就是其中一種簡(jiǎn)單有效的節(jié)能裝置，已經(jīng)在散貨船、集裝箱船和油船等運(yùn)輸船舶中廣泛運(yùn)用，但在機(jī)動(dòng)漁船中鮮有應(yīng)用。結(jié)合39.8 m遠(yuǎn)洋圍網(wǎng)漁船的節(jié)能設(shè)計(jì)任務(wù)，考慮采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)軟件STAR-CCM+[2-3]和移動(dòng)參考系法(MRF),對(duì)該漁船舵槳進(jìn)行數(shù)值模擬，分析適合漁船尺寸的螺旋槳與舵之間的相互作用，分析舵球+槳轂不同組合形式與常規(guī)平板舵方案的水動(dòng)力性能，以及艉流場(chǎng)和螺旋槳表面的壓力分布，探討節(jié)能機(jī)理，驗(yàn)證舵球在漁船上應(yīng)用的可行性。

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

1.1 控制方程及湍流模式

數(shù)值分析中將舵和螺旋槳作為一個(gè)整體來對(duì)待，分析有舵球的螺旋槳的推進(jìn)效率，與無舵球的原方案相比，評(píng)估其節(jié)能效果。

控制方程采用雷諾時(shí)均Navier-Stokes方程(簡(jiǎn)稱RANS方法)[4]，該方法視流場(chǎng)為不可壓縮、黏性的三維流動(dòng)，其連續(xù)方程和動(dòng)量方程為

?μi/?xi=0

(1)

(2)

同時(shí)考慮到螺旋槳的旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下有:

(3)

湍流模式采用兩方程RANS SSTk-ω模型。

1.2 近壁處理

在槳和舵表面存在一個(gè)速度梯度變化的邊界層。因此在STAR-CCM+軟件中采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模擬邊界層近壁面附近的流場(chǎng)。引入位置無量綱參數(shù)y+。

(4)

近壁第一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)到壁面的距離y+控制在30～500之間，準(zhǔn)確模擬近壁面流動(dòng)。

1.3 數(shù)值求解方法

1.3.1 槳、舵三維模型的建立

對(duì)39.98 m遠(yuǎn)洋圍網(wǎng)漁船，采用MAU4-55螺旋槳，相關(guān)參數(shù)見表1；舵葉采用NACA0015翼型，參數(shù)見表2。

表1 所選用的MAU4-50螺旋槳主要參數(shù)

表2 舵主要參數(shù)

建模后的螺旋槳(螺旋槳旋向?yàn)橛倚?、舵、和舵球幾何模型見圖1。

圖1 螺旋槳、舵和舵球的三維幾何模型

1.3.2 計(jì)算域及邊界條件設(shè)定

采用螺旋槳敞水計(jì)算中計(jì)算域的一般取法，在不影響精度的條件下盡可能地減小計(jì)算域，從而減少網(wǎng)格數(shù)量。將整個(gè)計(jì)算域設(shè)置為圓柱形區(qū)域，圓柱與螺旋槳中軸線一致。將計(jì)算域分為兩部分：靜止域和旋轉(zhuǎn)域,旋轉(zhuǎn)域用來模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)。如圖2所示，旋轉(zhuǎn)域邊界略大于螺旋槳幾何，直徑為1.1D(D為螺旋槳直徑),長(zhǎng)度為螺旋槳盤面前0.1D到螺旋槳盤面后0.1D,靜止域與旋轉(zhuǎn)域以交界面的方式連接。計(jì)算域中，入口邊界為速度入口，距離螺旋槳盤面中心為9D；出口邊界為壓力出口，距槳盤面中心距離為12D；計(jì)算域柱面邊界距槳盤面中心距離為4D，計(jì)算域柱面邊界、螺旋槳表面和舵表面設(shè)置為無滑移的壁面邊界條件[5-6]。

圖2 計(jì)算域及邊界條件

1.3.3 網(wǎng)格劃分

整個(gè)計(jì)算域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為在保證計(jì)算精度的前提下節(jié)省網(wǎng)格數(shù)量，合理分配網(wǎng)格數(shù)量。由于螺旋槳幾何模型較為復(fù)雜，附近流場(chǎng)也較為復(fù)雜，因此在螺旋槳的葉梢、槳轂連接處及其附近區(qū)域進(jìn)行加密，y+值控制在30～500之間；距螺旋槳較遠(yuǎn)區(qū)域流場(chǎng)受影響較小，網(wǎng)格布置較稀疏；兩者之間的區(qū)域由密到稀均勻過渡。網(wǎng)格數(shù)量：靜止域170萬，旋轉(zhuǎn)域36萬，見圖3。

圖3 網(wǎng)格劃分

2 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

螺旋槳水動(dòng)力性能特征參數(shù)計(jì)算式如下。

(5)

(6)

式中：ΤR為舵在螺旋槳軸線上的水動(dòng)力；ΤB為舵球在螺旋槳軸線上的水動(dòng)力。

首先進(jìn)行無舵球的螺旋槳/舵系統(tǒng)的水動(dòng)力數(shù)值模擬分析，作為參照基準(zhǔn)，然后再分析安裝舵球后螺旋槳周圍流場(chǎng)的變化以及對(duì)螺旋槳效率的影響。在進(jìn)行有舵球的槳舵系統(tǒng)分析時(shí)，調(diào)整舵球直徑[7]，得到一組不同D/DH下的敞水效率曲線；再在選用最佳舵球直徑的基礎(chǔ)上調(diào)整舵球與螺旋槳的距離，得到不同槳/舵球間隙下的螺旋槳效率曲線。利用定常MRF模型進(jìn)行數(shù)值模擬，觀察螺旋槳壓力分布及螺旋槳中心后方流場(chǎng)軸向速度變化，進(jìn)一步分析舵球與轂渦匹配在消除紊流，提高螺旋槳周向誘導(dǎo)效率的作用效果。

2.1 不同的舵球直徑D計(jì)算分析

計(jì)算時(shí)舵球直徑D和螺旋槳槳轂直徑DH的比值(D/DH)分別為：1.0,1.3,1.4,1.5,1.8,2.0,2.25,2.5,3.0。不同D/DH下的系統(tǒng)推進(jìn)效率，以及不同進(jìn)速系數(shù)J的螺旋槳/舵/舵球系統(tǒng)定常仿真計(jì)算結(jié)果見圖4(圖中D/DH=0表示無舵球)；設(shè)計(jì)航速工況J=0.45下槳水動(dòng)力參數(shù)見表3和圖5。

圖4 不同D/DH下的敞水效率

表3 設(shè)計(jì)航速工況J=0.45時(shí)各方案 螺旋槳敞水性能比較

從圖4中可以看出，在設(shè)計(jì)比值范圍內(nèi)，不管有無舵球，不管舵球直徑多大，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J較小時(shí)(J<0.2)，系統(tǒng)推進(jìn)效率η基本上沒有變化。隨著進(jìn)速系數(shù)J的增加，推進(jìn)效率η增加非常明顯。當(dāng)舵球直徑增加時(shí)(D/DH<2.25范圍內(nèi))，舵球直徑越大，系統(tǒng)推進(jìn)效率越高；D/DH>2.25時(shí)，舵球直徑越大，系統(tǒng)推進(jìn)效率反而越低，這是由于舵球結(jié)構(gòu)體積過大，自身產(chǎn)生的阻力顯著增加，超過了其產(chǎn)生的附加推力。雖然根據(jù)進(jìn)速系數(shù)J的變化，螺旋槳水動(dòng)力性能參數(shù)變化不一，但在D/DH=2.25時(shí)，推進(jìn)效率都達(dá)到最大，說明匹配槳-舵系統(tǒng)的舵球尺寸有最佳值。最佳直徑下與不帶舵球的螺旋槳性能比較見圖5。

圖5 最佳直徑下的敞水曲線

從圖5可以看出，最佳直徑下，當(dāng)船舶處于設(shè)計(jì)航速工況(v=12.5 kn，n=216 r/min)的進(jìn)速系數(shù)J=0.45時(shí)，螺旋槳敞水效率相對(duì)于無舵球增加3.34%，推力系數(shù)KT增加4.66%，具有很好的節(jié)能效果。

2.2 改變舵球與螺旋槳之間間隙

為滿足工程需要，在選用最佳舵球直徑的基礎(chǔ)上，探討舵球與螺旋槳間隙d對(duì)螺旋槳性能的影響，間隙d分別取d=50、100、200 mm進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果見圖6。

圖6 不同間隙螺旋槳性能比較

從圖6可以看出，間隙越大，舵球的節(jié)能效果越不明顯，因此，在滿足工程需求的情況下，應(yīng)盡可能減小舵球與螺旋槳之間的間隙。

3 舵球節(jié)能原理分析

選用最佳舵球直徑(D/DH=2.25)與無舵球情況進(jìn)行分析。在進(jìn)速系數(shù)J=0.75下的螺旋槳壓力云圖及螺旋槳中心后方0.32 m處(舵球與螺旋槳之間)流場(chǎng)軸向速度見圖7、8。

圖7 螺旋槳葉面壓力云圖比較

圖7表明，螺旋槳安裝舵球后，葉面壓力明顯分布均勻，舵球填充了螺旋槳槳轂后端的一小塊低壓空間，能降低螺旋槳水動(dòng)力噪聲。圖8顯示，槳轂后面的速度流線分布明顯均勻，舵球填充了槳轂中心后方的轂渦區(qū)域，將靠近槳轂后的尾流向外擠壓[8]，減少了尾流收縮，使得螺旋槳尾流橫截面積增加，從而使得螺旋槳的效率有所增加。

圖8 螺旋槳切面速度矢量云圖

4 結(jié)論

針對(duì)39.98 m遠(yuǎn)洋圍網(wǎng)漁船，設(shè)計(jì)一個(gè)合適的節(jié)能舵球，可使該船的在設(shè)計(jì)工況的進(jìn)速系數(shù)J=0.45獲得約3.34%的節(jié)能效果。

舵球的節(jié)能效果和進(jìn)速系數(shù)J有很大關(guān)系，對(duì)于低速漁船(進(jìn)速系數(shù)J<0.2)，舵球節(jié)能效果不明顯，意義不大；但對(duì)速度較高的遠(yuǎn)洋漁船(進(jìn)速系數(shù)J>0.4)，增加舵球有很好的節(jié)能效果，舵球可以應(yīng)用于J>0.4的標(biāo)準(zhǔn)化遠(yuǎn)洋漁船。

舵球直徑與槳轂直徑的比值是影響舵槳一體推進(jìn)效率的重要因數(shù)。針對(duì)39.98 m遠(yuǎn)洋圍網(wǎng)漁船，數(shù)值模擬分析認(rèn)為當(dāng)D/DH=2.25時(shí)，推進(jìn)效率最佳，該結(jié)果只是針對(duì)漁船直線航行狀態(tài)，未考慮轉(zhuǎn)舵等操作性要求。

舵球前端距轂帽后端的空隙也是影響推進(jìn)效率的一個(gè)因數(shù)，間隙越小，槳轂后方低壓區(qū)被舵球填充，對(duì)提高槳效有利。