噴水推進(jìn)裝置降低船體阻力機(jī)理的仿真分析

胡彬彬，程 濤，程 哲，杜文國(guó)，韓海輝

（武漢船用機(jī)械有限責(zé)任公司技術(shù)中心，武漢 430084）

0 引 言

噴水推進(jìn)裝置作為一種新型船舶推進(jìn)裝置，通過推進(jìn)泵噴出水流所產(chǎn)生的反作用力推動(dòng)船舶前進(jìn)，具有許多常規(guī)螺旋槳所不及的優(yōu)點(diǎn)[1～3]。航速＞25kn時(shí)，噴水推進(jìn)系統(tǒng)總推進(jìn)效率可達(dá)60%以上；噴水推進(jìn)裝置葉輪在泵殼內(nèi)工作，不易產(chǎn)生空化現(xiàn)象，激振力小，工作平穩(wěn)、噪聲低、抗空化能力強(qiáng)；噴水推進(jìn)裝置功率-航速曲線平坦，在船舶工況多變情況下能充分利用主機(jī)功率，適應(yīng)變工況能力強(qiáng)、主機(jī)不易發(fā)生過載現(xiàn)象；裝有噴水推進(jìn)裝置的船舶操縱無需改變主機(jī)轉(zhuǎn)速，而依靠偏折推進(jìn)泵噴射出高速水流實(shí)現(xiàn)船舶轉(zhuǎn)向和倒航，操縱性和動(dòng)力定位性能優(yōu)異；噴水推進(jìn)在安靜型軍用艦艇、動(dòng)力定位要求高的艦船、高性能船舶、變負(fù)荷工作船、重負(fù)荷肥大型運(yùn)輸船及淺吃水船上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

許多研究表明，船上裝有噴水推進(jìn)裝置時(shí)，高速時(shí)會(huì)發(fā)生船體阻力下降的現(xiàn)象。不同學(xué)者對(duì)這種現(xiàn)象有不同解釋：一部分學(xué)者[4]認(rèn)為噴水推進(jìn)裝置工作時(shí)，進(jìn)流管道從船底吸水，水流經(jīng)噴泵加速后從噴口高速噴出，進(jìn)入流道的水流改變了周圍船體的流場(chǎng)，作用在進(jìn)水流道上的力對(duì)船體產(chǎn)生力矩，并影響了船體航態(tài)。高速時(shí)，吸水口破壞船體周圍表面的邊界層，降低船體摩擦阻力，從而一定程度上降低船體阻力；另一部分學(xué)者[5,6]的研究則認(rèn)為流體作用于進(jìn)流管道所產(chǎn)生的垂向力抬升船艉是降低船體阻力的主要原因。

1 船體與噴水推進(jìn)裝置的水動(dòng)力仿真

從ITTC推薦的試驗(yàn)及CFD的示意圖[7]（見圖1）可看出，船體與噴水推進(jìn)系統(tǒng)相互作用主要區(qū)域包括自由表面，進(jìn)流管道，噴水推進(jìn)泵，噴嘴，收縮段，上游來流等。其中，水流進(jìn)入推進(jìn)泵前需經(jīng)過進(jìn)水流道引流，泵對(duì)船體產(chǎn)生影響區(qū)域體現(xiàn)在流道出口處，泵的旋轉(zhuǎn)對(duì)流道進(jìn)口幾乎沒有影響。ITTC在噴水推進(jìn)船模自航試驗(yàn)泵模型選擇上有兩種方法：1) 采用縮比泵，直接測(cè)量作用于噴水推進(jìn)器上的推力；2) 采用滿足流量要求的任意泵．通過測(cè)量流量計(jì)算推力。數(shù)值計(jì)算也采用兩種方法代替泵的作用。1) 通過數(shù)值模型代替泵的作用[8,9]，而激盤模型是代替泵作用的模型之一；2) 在CFD中采用流量邊界條件代替泵作用：數(shù)值計(jì)算模型不包括真實(shí)泵，而是用泵進(jìn)口面為流量出口邊界條件來模擬泵抽吸水流作用。用泵出口面為流量進(jìn)口邊界條件來模擬噴射的射流，其中進(jìn)出口流量相等[10]。國(guó)外采用激盤理論的方法使用較多，對(duì)推力事先進(jìn)行預(yù)估；國(guó)內(nèi)通常采用流量進(jìn)出口邊界法，這種方法更簡(jiǎn)便，實(shí)際上也是通過預(yù)估的推力計(jì)算流量，從而給定邊界上流量的數(shù)值。在本文中，采用激盤模型對(duì)噴水推進(jìn)與船體的相互作用進(jìn)行仿真。

圖1 ITTC動(dòng)量流量定義

1.1 仿真計(jì)算域建模

噴水推進(jìn)裝置與船體相互作用計(jì)算域的建模過程包括：船體建模，噴水推進(jìn)裝置的進(jìn)水流道建模，船體與進(jìn)水流道組合后的建模（船體挖空），近似無限海域的建模，海域與挖空船體的組合（定義流體和固體域）。

1.2 計(jì)算方法及湍流模型

在計(jì)算噴水推進(jìn)裝置與船體的相互作用中，考慮興波阻力對(duì)船體的影響，采用兩相自由面法進(jìn)行求解。湍流模型采用k-ωSST 模型。計(jì)算時(shí)為考慮船體的航行姿態(tài)，耦合船體運(yùn)動(dòng)方程迭代。采用激盤模型模擬計(jì)算噴水推進(jìn)泵對(duì)進(jìn)水流道的影響。

1.3 邊界條件的設(shè)定

邊界條件對(duì)海域和船體域分別設(shè)定，海域與大氣不相交處采用無窮遠(yuǎn)速度邊界，與大氣相交處采用預(yù)設(shè)壓力邊界，自由面將海水與氣體分為兩個(gè)區(qū)域，船體甲板采用自由滑移壁面邊界，其他船體域設(shè)為固定壁面邊界。

2 實(shí)船仿真及結(jié)果分析

2.1 實(shí)船參數(shù)及噴推裝置

用于實(shí)船仿真的船體為12.9m鋁制測(cè)量快艇船，安裝WDJ120型噴水推進(jìn)產(chǎn)品。裸船在拖曳水池進(jìn)行了船體阻力試驗(yàn)。船體主要參數(shù)見表1，三維船體見圖2。

2.2 裸船CFD仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

裸船CFD仿真包括確定計(jì)算域、網(wǎng)格劃分、計(jì)算方法及湍流模型、邊界條件的確定[11]。圖3給出計(jì)算域、網(wǎng)格處理結(jié)果。仿真結(jié)果與船模試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比見表2。從對(duì)比結(jié)果可知，在較低Fr數(shù)時(shí)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常接近，當(dāng)Fr數(shù)逐漸增加時(shí)，CFD結(jié)果相比船模結(jié)果小，誤差增加。這是由于船體高速過程中噴濺阻力占據(jù)影響因素越來越大，噴濺阻力的仿真誤差較大，引起船體阻力計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果差距增加，所以在Fr＞0.7時(shí)，需考慮仿真誤差，修正仿真結(jié)果。

表1 12.9m鋁制測(cè)量快艇的船型參數(shù)

圖2 鋁制測(cè)量快艇三維船體

圖3 裸船計(jì)算域

表2 總阻力對(duì)比結(jié)果

2.3 船體-噴水推進(jìn)相互作用的CFD仿真及結(jié)果分析

船體-噴水推進(jìn)相互作用仿真包含計(jì)算域確定、網(wǎng)格劃分、計(jì)算方法、湍流模型、激盤模型、邊界條件的確定。圖4給出了計(jì)算域和網(wǎng)格的處理結(jié)果。

圖4 船體與噴水推進(jìn)作用的CFD計(jì)算域及網(wǎng)格

表3給出了裸船的船體阻力與噴水推進(jìn)-船體的船體阻力的仿真結(jié)果的對(duì)比。從表3可知，隨著Fr數(shù)的增加，噴水推進(jìn)-船體時(shí)的船體阻力相比裸船的阻力會(huì)有所下降。

表3 船體阻力對(duì)比結(jié)果

因?yàn)榇w阻力由摩擦阻力和剩余阻力組成，為進(jìn)一步分析船體阻力各組分的變化，表4給出了裸船與噴水推進(jìn)-船體兩種情況下各阻力組分隨Fr數(shù)的變化情況

表4 船體阻力各組分對(duì)比結(jié)果

從表4可知，安裝有噴水推進(jìn)裝置的船體，不同雷諾數(shù)下的摩擦阻力與裸船的相比差異較小，隨著Fr增加，剩余阻力相對(duì)裸船會(huì)有明顯的降低，因此從仿真結(jié)果可知，造成“噴水推進(jìn)+船體”條件下船體阻力下降的主要原因是由于剩余阻力的下降，對(duì)本船主要是興波阻力有所降低。

為分析興波阻力下降的原因，圖5給出了不同F(xiàn)r數(shù)時(shí)，裸船與船體+噴水推進(jìn)的不同滑行姿態(tài)及濕水面積。

圖5 裸船與船體+噴水推進(jìn)的不同的滑行姿態(tài)及濕水面積

從縱傾角與濕水面積可知，安裝噴水推進(jìn)裝置后，由于與船體相連的進(jìn)水流道產(chǎn)生向上垂向力，在高速時(shí)，使船體縱傾角下降，雖然會(huì)伴隨產(chǎn)生濕面積增加，增加摩擦阻力，但縱傾角的變化降低興波阻力，總體阻力依然下降。

3 結(jié) 語

1) 通過數(shù)值仿真方法，分析船體與噴水推進(jìn)裝置間的相互作用。通過試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比，表明仿真方法的正確有效。

2) 仿真結(jié)果表明，裝有噴水推進(jìn)裝置船體的摩擦阻力分量并未減小，阻力降低機(jī)理在于航行過程中，噴水推進(jìn)裝置所產(chǎn)生的垂向力改善了船體的縱傾角，降低了興波阻力。并且隨著航速的增加，縱傾改善的效果更明顯。

3) 裝有噴水推進(jìn)裝置的船舶在高速時(shí)由于縱傾角的改善，使船體阻力降低，更容易達(dá)到起滑狀態(tài)。

4) 噴水推進(jìn)裝置產(chǎn)生垂向力的特點(diǎn)，使裝有噴水推進(jìn)裝置船舶的LCG位置確定變得更為重要。LCG離船艉過遠(yuǎn)，噴水推進(jìn)產(chǎn)生的垂直力會(huì)加劇船艏浸沒效應(yīng)，嚴(yán)重時(shí)甚至發(fā)生船艏翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

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