前置預(yù)旋導(dǎo)管內(nèi)定子周向布置形式的數(shù)值研究

，

(中國船舶科學(xué)研究中心上海分部，上海 200011)

前置預(yù)旋導(dǎo)管(pre-swirl duct)[1]是一種由一個加速型導(dǎo)管和在導(dǎo)管內(nèi)呈周向布置的若干個定子組成的節(jié)能裝置。它能改善螺旋槳的進流并可減小螺旋槳尾流場的旋轉(zhuǎn)能量損失。據(jù)統(tǒng)計，其節(jié)能收益一般可達4%～10%[2]。對前置預(yù)旋導(dǎo)管而言，一些設(shè)計參數(shù)很重要，包括導(dǎo)管出入口直徑、導(dǎo)管和定子的剖面形狀、定子葉數(shù)、定子的周向布置及攻角等。有研究表明，由于船艉伴流場的周向非均勻性，以及切向伴流相對于螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向在左、右舷起相反作用，導(dǎo)管內(nèi)的定子是呈非對稱分布的[3]。模型自航試驗結(jié)果顯示，當(dāng)定子葉數(shù)增加時，可減少螺旋槳尾流的旋轉(zhuǎn)能量損失，但定子的阻力也相應(yīng)地增加，故在“得”與“失”之間需權(quán)衡考慮[4]。因此希望能有較少的葉片數(shù)達到較好的預(yù)旋效果，這與定子的葉片數(shù)及周向布局有關(guān)。

本文基于RANS方法的數(shù)值研究來尋求更加合適的前置預(yù)旋導(dǎo)管內(nèi)定子的周向布置形式，采用商業(yè)軟件Fluent進行RANS方程的求解。

1 計算模型

選取一種典型的前置預(yù)旋導(dǎo)管為研究對象，它由導(dǎo)管和5個定子葉片組成，幾何外形見圖1。主要幾何參數(shù)見圖2和表1。

圖1 前置預(yù)旋導(dǎo)管的三維幾何模型

圖2 前置預(yù)旋導(dǎo)管結(jié)構(gòu)示意

表1 前置預(yù)旋導(dǎo)管的主參數(shù)

圖2所示前置預(yù)旋導(dǎo)管的導(dǎo)管部分是沿軸向收縮的加速型導(dǎo)管，數(shù)值計算中發(fā)現(xiàn)在導(dǎo)管剖面翼背處存在一定的流動分離現(xiàn)象。由于本文的目的是為了研究導(dǎo)管內(nèi)定子的周向布置，故為了排除這種分離對定子預(yù)旋作用的干擾并簡化計算模型，將計算的導(dǎo)管剖面改為NACA0012對稱翼型，導(dǎo)管的軸向收縮角設(shè)為0°，修改后的導(dǎo)管及定子的剖面形式見圖3。

圖3 導(dǎo)管與定子的剖面形式

2 計算工況

2.1 不考慮螺旋槳的抽吸作用

數(shù)值計算中不考慮船體伴流的影響，進流為均勻來流。通過改變定子數(shù)目、定子間夾角及定子來流攻角等參數(shù)，對6種不同工況的導(dǎo)管方案進行計算分析，研究有利于提高導(dǎo)管預(yù)旋效果的最佳定子布置，見表2。

表2 數(shù)值模擬的工況

2.2 考慮螺旋槳的抽吸作用

由于前置預(yù)旋導(dǎo)管一般位于螺旋槳前方，會受到螺旋槳抽吸作用的影響，故針對表2中的各種工況進行考慮螺旋槳抽吸作用時的水動力性能分析。由于螺旋槳工作時對其前方流場的切向誘導(dǎo)速度很小，一般忽略不計，因此在實際計算中采用體積力方法來模擬螺旋槳的抽吸作用時，只考慮螺旋槳的軸向作用力而忽略其轉(zhuǎn)矩的作用。

3 數(shù)值方法

假定流動是不可壓的，雷諾數(shù)為2.44×106。湍流模型選取SSTκ-ω模型?？刂品匠逃枚A迎風(fēng)差分格式進行離散，采用SIMPLE算法進行求解。壓強、動量、湍流動能和湍流耗散率的亞松弛因子分別設(shè)為0.1、0.5、0.5和0.5。當(dāng)連續(xù)性殘差和速度殘差均低于10-5時，認為計算結(jié)果已達到收斂。

4 計算域和網(wǎng)格劃分

坐標(biāo)原點設(shè)在導(dǎo)管出口處的導(dǎo)管中心，參考螺旋槳計算域的設(shè)置[5]，以坐標(biāo)原點為基準(zhǔn)，分別向速度入口方向、壓力出口方向及導(dǎo)管直徑方向延伸為3、6、3倍的導(dǎo)管出口直徑,見圖4。

圖4 計算域網(wǎng)格及導(dǎo)管與定子表面的網(wǎng)格劃分

整個計算域采用多塊結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格的方式進行網(wǎng)格劃分，以便能得到較為精細的流場數(shù)據(jù)。同時，為了精確捕捉導(dǎo)管內(nèi)定子周圍的流動，對導(dǎo)管及定子附近的網(wǎng)格進行加密。根據(jù)y+估算得到壁面附近的第一層網(wǎng)格尺寸為0.5 mm，整個導(dǎo)管周向范圍內(nèi)布置大約160個節(jié)點。根據(jù)導(dǎo)管內(nèi)定子的數(shù)量及周向布置位置的不同，計算域的網(wǎng)格數(shù)控制在230萬～260萬之間，整個計算域的網(wǎng)格和導(dǎo)管及定子的表面網(wǎng)格劃分見圖4。

在邊界條件的設(shè)置上，入口設(shè)為速度入口，給定來流；湍流強度設(shè)為0.1%，渦黏比為1；出口邊界設(shè)為壓力出口；導(dǎo)管和定子的表面設(shè)定為無滑移壁面條件。

5 計算結(jié)果與討論

前置預(yù)旋導(dǎo)管安裝在螺旋槳前方的進流位置，導(dǎo)管內(nèi)的定子會在螺旋槳的前方誘導(dǎo)產(chǎn)生一個與螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相反的預(yù)旋進流，當(dāng)槳葉經(jīng)過預(yù)旋水流時，螺旋槳相對于流體的實效相轉(zhuǎn)速增加，導(dǎo)致螺旋槳的推力及轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)增加，但螺旋槳實際轉(zhuǎn)速未變，因而提高了推進效率；從能量平衡的角度來看，由定子誘導(dǎo)的預(yù)旋流動與螺旋槳誘導(dǎo)的切向誘導(dǎo)速度起抵消作用,從而降低了整個系統(tǒng)的尾流場的旋轉(zhuǎn)能量。但定子葉片也付出了阻力代價。如果“得”大于“失”，則得到節(jié)能效果。因此，要達到最大節(jié)能效果，則應(yīng)使尾流中切向速度盡可能小，定子阻力盡可能小。

5.1 不考慮螺旋槳抽吸作用的工況

5.1.1 單個定子

在導(dǎo)管內(nèi)布置一個定子，通過改變來流攻角α，評估定子在不同來流攻角下產(chǎn)生的預(yù)旋作用的大小和單個定子的周向影響區(qū)域。圖5給出了不同來流攻角下槳盤面處不同半徑范圍(r/R=0.4～1.2，R為導(dǎo)管半徑)內(nèi)的切向速度分布。

圖5 不同來流攻角下槳盤面處的切向速度分布

由圖5可見：

1)隨著來流攻角的增大，定子產(chǎn)生的切向誘導(dǎo)速度也隨之增大，單個定子的周向影響區(qū)域大致在±30°之間；

2)在導(dǎo)管半徑范圍內(nèi)，定子產(chǎn)生的切向誘導(dǎo)速度為正，在超出導(dǎo)管半徑范圍時，定子產(chǎn)生的切向誘導(dǎo)速度為負。分析原因是定子使來流產(chǎn)生了預(yù)旋，而在定子梢部產(chǎn)生了一個反方向的漩渦，使得在導(dǎo)管半徑范圍內(nèi)定子預(yù)旋起主導(dǎo)作用，而在超出導(dǎo)管半徑范圍時，葉梢處的漩渦起著主導(dǎo)作用,見圖6。

圖6 不同來流攻角下槳盤面的流線圖

此外，從計算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)，定子上產(chǎn)生了較大的阻力，在一定范圍內(nèi)，定子上的壓阻力隨著來流攻角的增大基本呈線性增加，見圖7。

圖7 定子上的阻力

造成這種現(xiàn)象的原因是：在定子葉背處存在流動分離現(xiàn)象，且流動分離也隨著來流攻角的增加逐漸變大,見圖8，這種流動分離改變了定子表面的壓力分布，使定子上產(chǎn)生了較大的壓阻力。

圖8 定子表面的流動分離

5.1.2 兩個定子

在導(dǎo)管內(nèi)布置兩個定子，評估定子在同一攻角、不同夾角下的切向誘導(dǎo)速度分布，分析定子的夾角對定子預(yù)旋作用的影響及影響區(qū)域，并與單個定子進行了比較。如圖9所示，設(shè)置周向0°位置在兩個定子中間(單個定子則設(shè)在定子所在位置)，從下游看，假設(shè)順時針方向為正，定義平均切向速度為

(1)

分別取θ為60°、100°、180°進行分析，結(jié)果見圖10。

圖9 定子在周向方向的相對位置

圖10 槳盤面處的平均切向速度分布

由圖10可見，當(dāng)兩個定子間的夾角為45°時，定子產(chǎn)生的切向誘導(dǎo)速度最大，即定子的預(yù)旋效果最為明顯。因此在進行前置預(yù)旋導(dǎo)管內(nèi)的定子設(shè)計時，定子間的夾角應(yīng)在45°左右，將計算結(jié)果與Mewis導(dǎo)管專利文獻[6]中的定子布置進行比較，兩者十分吻合，見圖11。

圖11 Mewis導(dǎo)管內(nèi)定子的周向布置

5.2 考慮螺旋槳的抽吸作用

在上述結(jié)果的基礎(chǔ)上，考慮螺旋槳的抽吸作用，對導(dǎo)管內(nèi)布置兩個定子(10°攻角/45°夾角)的工況，螺旋槳的作用以體積力代替進行了計算。取4個不同半徑(r/R=0.5～0.8)下的結(jié)果與不考慮螺旋槳抽吸作用的工況進行了比較，見圖12。

從圖12中可以看出在螺旋槳的抽吸作用下，定子產(chǎn)生的切向誘導(dǎo)速度有著明顯的增加。

此外，當(dāng)不考慮螺旋槳的抽吸作用時，在定子梢部的位置都產(chǎn)生了較大的漩渦，而在螺旋槳的抽吸作用下，定子梢部的漩渦都明顯地減弱了。

圖12 考慮/不考慮螺旋槳抽吸作用下槳盤面處的切向速度分布

6 結(jié)論

1)前置預(yù)旋導(dǎo)管內(nèi)定子產(chǎn)生的預(yù)旋作用隨著來流攻角的增大而增加；當(dāng)攻角較大時，定子葉背處存在的流動分離現(xiàn)象會使定子產(chǎn)生很大的阻力，且流動分離隨著來流攻角的增加而加大。因此，在實際設(shè)計中，要適當(dāng)?shù)乜刂贫ㄗ拥墓ソ恰?/p>

2)導(dǎo)管內(nèi)單個定子的影響區(qū)域大約在±30°之間，兩個定子最合適的布置是呈45°左右夾角，此結(jié)論對前置預(yù)旋導(dǎo)管內(nèi)定子的設(shè)計具有一定的參考意義。

3)前置預(yù)旋導(dǎo)管安裝在螺旋槳的前方位置，受到螺旋槳抽吸作用的影響，以體積力代替真實槳進行數(shù)值計算，結(jié)果表明在螺旋槳的抽吸作用下，定子產(chǎn)生的預(yù)旋效果大大增加，同時定子梢部的漩渦也明顯地減弱。實際流場條件下，前置預(yù)旋導(dǎo)管還受到船體伴流場的影響，因此，有必要在考慮伴流的情況下對前置預(yù)旋導(dǎo)管內(nèi)定子的布置作進一步的研究。

致謝：本文的研究工作得到中國船舶科學(xué)研究中心董事湯研究員的指導(dǎo)，在此表示誠摯的感謝。

[1] MEWIS F,GUIARD T.Mewis duct-new developments,Sulutions and Conclusions[C]∥Second International Symposium on Marine Propulsors,Hamburg,Germany,2011.

[2] MEWIS F.A novel power-Saving device for full-form vessels[C]∥First International Symposium on Marine Propulsors,Norway,2009.

[3] YOUNG H J,KIM I P,YOUNG B C.On the design and application of the energy saving device DSME experience[C]∥IPS’10,Okayama,Japan,2010.

[4] ZONDERVAN G J,HOLTROP J,WINDT J,et al.On the design and analysis of pre-swirl stators for single and twin screw ships[C]∥Second International Symposium on Marine Propulsors,Hamburg,Germany,2011.

[5] 沈海龍.船體與節(jié)能附體及螺旋槳的非定常干擾研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2009.

[6] MEWIS F,DRESDEN.Device for reducing the power demand for the propulsion of a ship.United States,US 2009/0229506 A1[P].Sep.17,2009.