基于CFD 某起重船船艉激振力數(shù)值計算與分析

宋健

（中國鐵建大橋工程局集團有限公司，天津 300308 ）

導(dǎo)致船舶振動的各種振源中，螺旋槳是主要原因者約占80%[1]。在推進器的設(shè)計階段需要預(yù)估螺旋槳引起的激振力大小，CFD 的方法可以初步計算螺旋槳激振力，也可以了解船艉流場的基本概況，因此有必要掌握此種方法。

目前計算螺旋槳激振力的方法主要分為三種，即經(jīng)驗公式法、試驗法、數(shù)值計算法。各類經(jīng)驗公式通常適用范圍有一定局限性。試驗法較為可靠，但其經(jīng)濟成本及時間成本較高，因此對于中低速船舶尤其是工程船舶采用數(shù)值計算的方法較為合適。葉金銘等[2]利用面元法計算了空泡螺旋槳的誘導(dǎo)速度勢，進而求出了船體表面的脈動壓力。徐野[3]等采用CFD 的方法計算了螺旋槳的誘導(dǎo)的脈動壓力，與試驗結(jié)果對比表明一階脈動壓力幅值與試驗值較為吻合。陽濤[4]等利用CFD 方法計算了某客船的脈動壓力，并以此為激勵分析了船體的振動。陸芳[5]等通過對3600 箱集裝箱船實船螺旋槳梢渦空泡猝發(fā)現(xiàn)象與脈動壓力、振動等特性的分析，研究了螺旋槳脈動壓力高階量及相應(yīng)的振動特性。劉輝[6]等以艏側(cè)推為研究對象，通過CFD 的方法計算了側(cè)推槽道壁的脈動壓力。李亮[7,8]等開展了模型和實船尺度下船槳舵一體的螺旋槳誘導(dǎo)激振力的數(shù)值研究。馬艷[9]等以5600TEU 集裝箱船為對象在大型循環(huán)水槽開展了空泡與脈動壓力的對比試驗。黃紅波[10]等探索性研究了空泡形態(tài)與空泡誘導(dǎo)的脈動壓力特征。熊鷹[11]等以無限流場中點脈動源誘導(dǎo)的周圍流場的脈動壓力的計算方法為基礎(chǔ)預(yù)報了脈動壓力。劉迪[12]等利用CFD 的方法計算了螺旋槳誘導(dǎo)的脈動壓力，討論了舵對脈動壓力輻值得影響，但是該計算未考慮空泡的影響。為確保船舶安全航行，本文采用CFD 方法對某起重船船艉激振力進行分析計算。

1 計算模型

1.1 計算對象

本文以澳氹第四條跨海大橋設(shè)計連建造工程的2200 噸起重船為計算對象。計算時采用了疊模法進行計算?？s尺比取10:1，主要參數(shù)見表1。

表1 船模及螺旋槳模主要參數(shù)

圖1 船槳一體視圖

1.2 數(shù)值計算

立半船模型計算，計算域為長方體，前端距離船艏1 倍船長，后端距離船艉3 倍船長，側(cè)面距離船舷2 倍船長，下方距離船底0.5 倍船長。計算域模型如圖2 所示。

圖2 計算域及相關(guān)設(shè)置

船體表面網(wǎng)格尺寸為LOA/150，船艉及船艏網(wǎng)格尺寸取LOA/400，槳葉表面網(wǎng)格尺寸取D/250，葉梢部分取D/500。旋轉(zhuǎn)域及靜止域之間通過interface 連接。目前較多文獻中忽略了徑向及周向伴流，與螺旋槳實際工作狀況相差較大[8]。本文采用船槳一體的計算方式，避免了因忽略徑向、周向伴流所產(chǎn)生的誤差。模型槳的轉(zhuǎn)速為664rpm 對應(yīng)槳葉轉(zhuǎn)過的角度為30。在槳葉轉(zhuǎn)過5圈之后，各個參數(shù)基本保持穩(wěn)定，從第5 圈開始保存數(shù)據(jù)文件。螺旋槳的網(wǎng)格圖如圖3 所示。

圖3 螺旋槳網(wǎng)格視圖

圖4 螺旋槳推力脈動的時域及頻域曲線

圖5 螺旋槳扭矩脈動的時域及頻域曲線

2 激振力計算結(jié)果

2.1 軸承力計算

在第6 圈螺旋槳上的力已經(jīng)呈現(xiàn)明顯的周期性。軸承力在葉頻BPF（44.27Hz）處均呈現(xiàn)峰值，推力的峰值為0.048N，扭矩的峰值為5.7*10-5Nm。

2.2 表面力計算

以實船槳軸線上方0.8R 處的轉(zhuǎn)速空泡數(shù)為基準，數(shù)值計算時需保證實船空泡數(shù)σns與模型空泡數(shù)σnm相等，空泡數(shù)的定義如下：

式中：Pa為標準大氣壓；ρs為海水密度；g 為重力加速度；hs實船槳軸浸深；Ds為實槳直徑；Pv為海水的飽和蒸汽壓；ns為實槳轉(zhuǎn)速；Pout為仿真計算的出口壓強，nm為模型轉(zhuǎn)速，Dm為模型槳直徑。

擬定的布點方案如表2 及圖6 所示。

表2 各點坐標及脈動壓力峰值

表3 計算方法的數(shù)值對比

圖6 布點示意圖及編號

圖7 P8 點壓力脈動的時域及頻域曲線

由表2 可見，各點脈動壓力以1 階為主，2 階及以后的脈動壓力幾乎可以忽略不計。脈動壓力最大區(qū)域在點P1、P5、P6、P8 附近區(qū)域。其中P8 峰值最大，其1 階脈動壓力峰值為133Pa，換算為實船的脈動壓力為1370Pa。

船舶螺旋槳上方位置脈動壓力葉頻分量的最大幅值一般要求不大于8000Pa[1]。1370Pa 遠小于8000Pa，所以綜合軸承力及表面力數(shù)值可知船艉激振力的設(shè)計滿足要求。

以初始狀態(tài)位于正上方的一片槳葉為監(jiān)測對象，圖8 為一個周期內(nèi)葉背空泡的變化情況。槳葉為右旋槳，從船艏望向船艉時則槳葉為左旋。葉背空泡在0o～120o空化面積最大，在120o～240o空化面積逐漸減小，在240o～360o（0o）空化面積增大，依此往復(fù)循環(huán)。該螺旋槳的高伴流區(qū)域較大（0o～150o），幾乎達到槳盤面面積的40%左右，這說明船艉線型及前方附體有待于優(yōu)化設(shè)計。雖然伴流場不理想，但總體上空化情況并不嚴重，這主要是由于該槳的功率密度較小，即1500kW 主機匹配2.5m 直徑槳葉。

圖8 一個周期內(nèi)槳葉空化作用

3 計算結(jié)果對比驗證

脈動壓力的經(jīng)驗公式近似預(yù)報方法有多種，這些方法均是基于一定數(shù)量實船試驗和模型試驗的測試數(shù)據(jù)，用統(tǒng)計的方法或者一定的理論分析歸納總結(jié)相應(yīng)的公式[13]。

由上表可見本文計算結(jié)果與經(jīng)驗公式的計算結(jié)果基本接近，雖有一定誤差，但從初步指導(dǎo)工程設(shè)計方面來說是可以接受的。

4 結(jié)論

本文對船槳一體的三維模型，利用CFD 的方法，在考慮螺旋槳空化作用的條件下，用非定常的方式計算了2200 噸起重船船艉螺旋槳引起的軸承力和表面力，計算結(jié)果表明：軸承力較小，表面力的葉頻1 階脈動壓力峰值換算為實船脈動壓力，大小力為1370Pa，滿足工程設(shè)計的要求。CFD 方法的計算結(jié)果與多個經(jīng)驗公式的估算值基本接近，證明本方法對工程設(shè)計有一定的參考價值。