船用槳后固定組合葉輪節(jié)能效果研究

羊 慧吳靜萍

（1.哈爾濱工程大學(xué) 哈爾濱150001；2.武漢理工大學(xué) 武漢430000）

船用槳后固定組合葉輪節(jié)能效果研究

羊 慧1吳靜萍2

（1.哈爾濱工程大學(xué) 哈爾濱150001；2.武漢理工大學(xué) 武漢430000）

［摘 要］船用槳后固定組合葉輪是一種新型螺旋槳節(jié)能裝置。為了解其節(jié)能機(jī)理并驗(yàn)證節(jié)能效果，基于計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法對該問題進(jìn)行研究。首先選用B4-65螺旋槳進(jìn)行敞水?dāng)?shù)值模擬，驗(yàn)證計(jì)算模型和方法的正確性；然后重點(diǎn)對螺旋槳在加裝槳后固定組合葉輪后的水動力性能進(jìn)行模擬。結(jié)果表明：槳后固定組合葉輪能夠較好地削弱螺旋槳后方的梢渦與轂渦，回收尾流能量。而且該節(jié)能裝置能與螺旋槳產(chǎn)生有利干擾，增加槳葉上的推力。在低進(jìn)速區(qū)（J ＜0.4）時，該節(jié)能裝置能達(dá)到2%以上的節(jié)能效果。

［關(guān)鍵詞］螺旋槳；槳后節(jié)能裝置；節(jié)能效率；計(jì)算流體力學(xué)

引 言

近年來，國際海事組織（IMO）在節(jié)能、減排、安全、環(huán)保等領(lǐng)域不斷提出國際造船的新規(guī)范與新標(biāo)準(zhǔn)［1］。船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）作為綜合衡量船舶能效水平的重要指標(biāo)，在IMO的強(qiáng)制推行下，正受到各國造船業(yè)的高度重視。因此，如何在原建造方案不變的前提下提高船舶節(jié)能效率已成為我國造船業(yè)所面臨的難題，船舶節(jié)能裝置再次成為各大設(shè)計(jì)單位關(guān)注的焦點(diǎn)。

螺旋槳附加節(jié)能裝置安裝在螺旋槳附近，能提高推進(jìn)性能、從而達(dá)到節(jié)能目的。由于其工藝簡單、安裝方便、效果顯著，因此被普遍采用。常見的此類節(jié)能裝置包括：補(bǔ)償導(dǎo)管、槳前整流鰭、舵附推力鰭、舵球、螺旋槳轂帽鰭（FBCF）、槳后固定葉輪、Grim自由旋轉(zhuǎn)葉輪、預(yù)旋定葉輪等［2］。本文在綜合分析各種螺旋槳附加節(jié)能裝置的節(jié)能機(jī)理和結(jié)構(gòu)形式的基礎(chǔ)上，提出一種新型的螺旋槳節(jié)能裝置——槳后固定組合葉輪，將基于CFD方法對B4-65螺旋槳進(jìn)行敞水?dāng)?shù)值模擬，驗(yàn)證模型和計(jì)算方法的有效性。在詳細(xì)分析槳后固定組合葉輪的節(jié)能機(jī)理后，重點(diǎn)對螺旋槳加裝槳后固定組合葉輪后的水動力性能進(jìn)行計(jì)算，并從槳葉與葉輪壓力、螺旋槳推進(jìn)效率和尾流場三個方面分析槳后固定組合葉輪的節(jié)能效果，為該節(jié)能裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

1 螺旋槳建模和計(jì)算方法驗(yàn)證

本文選用B4-65螺旋槳進(jìn)行數(shù)值模擬，采用Gambit建立螺旋槳數(shù)值模型，基于有限體積法（FVM）選用SST k-ω湍流模式在Fluent中進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，以下詳述螺旋槳建模和計(jì)算方法驗(yàn)證過程。

1.1 螺旋槳建模

1.1.1 螺旋槳幾何模型建立

采用的B4-65螺旋槳主要參數(shù)如表1所示。

表1 B4-65螺旋槳主要參數(shù)

用Gambit建立螺旋槳模型時，首先導(dǎo)入槳葉三維型值點(diǎn)，然后采用NURBS樣條對槳葉各剖面型值點(diǎn)進(jìn)行擬合。槳葉表面通過Net Surface方式生成，導(dǎo)邊、隨邊、槳葉頂部等曲率較大處通過單獨(dú)生成狹長或微小曲面［3］，以保證模型質(zhì)量，槳葉和槳轂連接處則通過弧面進(jìn)行光滑過渡（如圖1所示）。通過此方法所建立的螺旋槳模型曲面光順程度較佳，導(dǎo)邊和隨邊具有導(dǎo)圓、槳葉與槳轂連接處考慮過渡圓弧等精細(xì)處理都使模型更貼近真實(shí)情況，模型質(zhì)量較高。

圖1 螺旋槳模型細(xì)節(jié)

1.1.2 計(jì)算域和網(wǎng)格劃分

采用直徑為螺旋槳直徑5倍、長度為螺旋槳直徑10倍的圓柱形流體控制域，螺旋槳置于與控制域入口相距控制域總長30%的位置處。在控制域的入口和出口段采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，中部（包含螺旋槳）采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格進(jìn)行劃分，最終網(wǎng)格數(shù)控制在30萬以內(nèi)，歪斜程度控制在0.8以內(nèi)。螺旋槳表面網(wǎng)格和流體控制域網(wǎng)格分別如圖1、圖2所示。

圖2 流體控制域網(wǎng)格

1.1.3 邊界條件設(shè)定

該計(jì)算模型各邊界條件［4］如下頁表2所示。

表2 模型邊界條件設(shè)定

1.2 計(jì)算方法驗(yàn)證

1.2.1 湍流模型

采用Fluent軟件進(jìn)行螺旋槳敞水?dāng)?shù)值模擬，選用SST k-ω湍流模型。該模型綜合k-ω模型在近壁區(qū)計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)和k-ε模型在遠(yuǎn)場計(jì)算的優(yōu)點(diǎn)，增加了橫向耗散導(dǎo)數(shù)項(xiàng)，在湍流粘度定義中考慮湍流剪切應(yīng)力的輸運(yùn)過程，使用范圍更廣，對于力的計(jì)算也更具優(yōu)勢。

1.2.2 螺旋槳敞水性能預(yù)報(bào)

進(jìn)行螺旋槳敞水性能預(yù)報(bào)時，槳的轉(zhuǎn)速取為600 r/min，進(jìn)速系數(shù)取7組值（J=0.1，0.3，0.5，0.7，0.8，0.9，1.0）。將不同進(jìn)速系數(shù)下得到的推力與轉(zhuǎn)矩進(jìn)行無量綱化轉(zhuǎn)換成推力系數(shù)KT、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ和效率η0，并與實(shí)驗(yàn)值B型槳系列新圖譜（荷蘭船模水池發(fā)布）［5］進(jìn)行對比，如表3、圖3所示。數(shù)值模擬誤差如表4所示。

表3 B4-65螺旋槳敞水?dāng)?shù)值模擬與試驗(yàn)圖譜對比

圖3 B4-65螺旋槳敞水效率曲線數(shù)值模擬與試驗(yàn)對比

表4 B4-65螺旋槳數(shù)值模擬結(jié)果誤差（%）

從表3、表4和圖3可以看出：螺旋槳在小進(jìn)速（J＜0.3）情況下的KT和10KQ計(jì)算誤差較大，在大進(jìn)速（J＞0.8）情況下的η0計(jì)算誤差較大，這可能與網(wǎng)格質(zhì)量和邊界條件的簡化等因素有關(guān)［6］。在進(jìn)速系數(shù)J取為0.3～0.8時，數(shù)值模擬精度較高（KT、10KQ的誤差在5%以內(nèi)，η0的誤差在0.7%以內(nèi)）。因此，根據(jù)B4-65螺旋槳的數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比可以看出，本文所建立的螺旋槳數(shù)值計(jì)算模型是有效的。

2 槳后固定組合葉輪的提出

螺旋槳附加節(jié)能裝置的主要節(jié)能原理為：

（1）減小或消除船尾（或槳轂帽后部）的水流分離，減小粘壓阻力；

（2）改善螺旋槳的進(jìn)流，使槳之進(jìn)流更均勻，以改善船體和槳之間的匹配；

（3）使槳之進(jìn)流預(yù)旋或消除槳后周向誘導(dǎo)速度，使螺旋槳尾流中原先損失的旋轉(zhuǎn)能量部分回收；

（4）產(chǎn)生附加推力［2］。

現(xiàn)有常見的螺旋槳節(jié)能裝置中，舵球裝置、lips高效舵（槳舵一體化裝置）和Propac舵等通過向槳轂帽方向延伸螺旋槳槳轂（甚至將槳轂直接與舵連接在一起）或使用舵球來填補(bǔ)槳轂帽后低壓區(qū)，減小水流分離和粘壓阻力，提高推進(jìn)效率。螺旋槳轂帽鰭（FBCF）和槳后固定葉輪等通過減弱螺旋槳（或槳轂帽）后周向誘導(dǎo)速度，回收尾流中的旋轉(zhuǎn)能量，提高螺旋槳效率。舵附加推力翼和Grim自由葉輪（導(dǎo)輪）等利用螺旋槳的尾流旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生附加的推力，提高推進(jìn)效率。

綜合分析以上螺旋槳節(jié)能裝置的節(jié)能機(jī)理和結(jié)構(gòu)形式，本文在槳后固定葉輪和轂帽鰭的基礎(chǔ)上提出一種新型的螺旋槳節(jié)能裝置——槳后固定組合葉輪（見圖4）。已知槳后固定葉輪能夠消除或減弱螺旋槳槳葉產(chǎn)生的尾流旋轉(zhuǎn)［7-8］，轂帽鰭能夠回收槳轂帽后方的旋轉(zhuǎn)能量［9-10］，因此，若綜合兩者提出的槳后固定組合葉輪，將能同時在這兩方面得到改善，并且得到延伸的螺旋槳槳轂還能有效地抑制槳轂帽后方的水流分離，減小粘壓阻力。

圖 4 槳后固定葉輪（左圖）和螺旋槳轂帽鰭（右圖）

槳后固定組合葉輪的結(jié)構(gòu)形式如圖5所示。該節(jié)能裝置由固定在螺旋槳后方的葉數(shù)相同的一組長葉輪和一組短葉輪組合而成。兩組葉輪的剖面形式都取為標(biāo)準(zhǔn)機(jī)翼型，兩組葉輪在連接處以傾斜弧面過渡。該節(jié)能裝置的標(biāo)準(zhǔn)形式為：葉輪數(shù)為6，長葉輪的直徑與螺旋槳直徑相同，短葉輪直徑為螺旋槳直徑的0.25倍，葉輪弦線與螺旋槳的軸線重合。

圖5 槳后固定組合葉輪

3 槳后固定組合葉輪節(jié)能效果分析

在螺旋槳加裝槳后固定組合葉輪后，計(jì)算模型變?yōu)榇嬖陟o子（槳后固定組合葉輪）和轉(zhuǎn)子（螺旋槳）相互干擾的旋轉(zhuǎn)流動問題。本節(jié)依然采用Gambit進(jìn)行建模，在上節(jié)建立的螺旋槳模型基礎(chǔ)上，只需將原有螺旋槳模型的槳轂延長，建立6葉組合葉輪，并重新劃分模型網(wǎng)格即可。數(shù)值計(jì)算在Fluent中進(jìn)行，采用多重坐標(biāo)系（RMF）技術(shù)進(jìn)行處理。

RMF模型是一種定常計(jì)算模型，可以用來解決諸如一個流域相對于另一個流域發(fā)生旋轉(zhuǎn)的情況，特別適用于解決旋轉(zhuǎn)流體機(jī)械中轉(zhuǎn)子與定子相互作用時的相對旋轉(zhuǎn)問題。在使用RMF模型時，整個計(jì)算域被分成多個小的子域，每個子域可以有自己的運(yùn)動方式（靜止、旋轉(zhuǎn)、平移或者混合運(yùn)動），流場控制方程在每個子域內(nèi)進(jìn)行求解，在子域的交界面則通過將速度換算成絕對速度的形式進(jìn)行流場信息交換［11］。另外，MRF模型也是計(jì)算旋轉(zhuǎn)流動問題最簡單經(jīng)濟(jì)的模型，廣泛用于攪拌器、泵和風(fēng)機(jī)等內(nèi)流場的計(jì)算。

本文對加裝槳后固定組合葉輪的螺旋槳進(jìn)行敞水?dāng)?shù)值計(jì)算，下面分別從槳葉與葉輪壓力、螺旋槳推進(jìn)效率和尾流場這三方面對該節(jié)能裝置的節(jié)能效果進(jìn)行分析。

3.1 槳葉與葉輪壓力分析

加裝槳后固定組合葉輪后，螺旋槳后方的尾流場受到葉輪干擾而發(fā)生變化，這直接對槳葉上的受力產(chǎn)生影響，而新增葉輪上的受力也會影響螺旋槳推進(jìn)效率。螺旋槳在加裝槳后固定組合葉輪前后，槳葉與葉輪上的受力情況如表5所示。

表5 螺旋槳加裝槳后固定葉輪前后槳葉和葉輪受力情況

從表5可以看出，加裝槳后固定組合葉輪后螺旋槳上的推力有所增加，且隨著進(jìn)速系數(shù)的增加而增幅變小。槳后固定組合葉輪不提供推力，反而會產(chǎn)生一定的阻力，并且進(jìn)速系數(shù)越大阻力也越大。但是，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)較?。↗＜0.6）時，螺旋槳與固定組合葉輪產(chǎn)生的總推力比單槳推力有所增加；而隨著進(jìn)速系數(shù)的增大，由于葉輪上的阻力增加比螺旋槳上推力增加更快，所以總推力比單槳推力小，而螺旋槳上的扭矩則始終表現(xiàn)為輕微增加。

在具體分析了加裝槳后固定組合葉輪前后螺旋槳葉面和葉背的受力后可發(fā)現(xiàn)，螺旋槳葉背的壓力幾乎沒有變化，而螺旋槳葉面上壓力有所增加（如圖6所示），因此，就表現(xiàn)為螺旋槳上的推力在加裝該裝置后有所增加。

3.2 螺旋槳推進(jìn)效率分析

在加裝節(jié)能裝置后，螺旋槳推進(jìn)效率的提升是最直觀體現(xiàn)該節(jié)能裝置節(jié)能效果的指標(biāo)。現(xiàn)將螺旋槳在加裝槳后固定組合葉輪前后的敞水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行對比（見表6），螺旋槳推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推進(jìn)效率的變化情況如圖7所示。

圖6 螺旋槳葉面受力情況

圖7 加裝槳后固定組合葉輪后螺旋槳推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)、槳效率變化情況（%）

表6 螺旋槳加裝槳后固定組合葉輪前后敞水?dāng)?shù)值模擬結(jié)果對比

從表6和圖7可以看出，在加裝槳后固定組合葉輪后，螺旋槳推力系數(shù)KT在進(jìn)速系數(shù)J＜0.5時增加，且隨著進(jìn)速系數(shù)減小增幅變大，與上節(jié)對螺旋槳上的受力分析結(jié)果一致。而螺旋槳的轉(zhuǎn)矩系數(shù)10KQ除在J=0.5附近有所降低外，在其他進(jìn)速區(qū)都有所增加，且表現(xiàn)為從J=0.5開始隨著進(jìn)速系數(shù)的增加或減小轉(zhuǎn)矩系數(shù)增幅都越大。

螺旋槳的效率η0在低進(jìn)速區(qū)（J＜0.65）有所增加，且增加幅度隨著進(jìn)速系數(shù)的增大而減小，平均增幅在1.3%～2.7%之間，并在J=0.3達(dá)到最佳，效率提升2.7%；而在高進(jìn)速區(qū)（J＞0.65）則表現(xiàn)為螺旋槳效率降低，且進(jìn)速越大效率降低越多，這也是由于固定組合葉輪在高進(jìn)速區(qū)阻力增加過快所造成的。因此，槳后固定組合葉輪能較好地應(yīng)用于低進(jìn)速船舶，且使用在進(jìn)速系數(shù)J＜0.4的船舶上能收到較好的節(jié)能效果（2%以上）。

3.3 尾流場分析

為了更加直觀地分析槳后固定組合葉輪的節(jié)能機(jī)理，本文對J=0.3時加裝槳后固定組合葉輪前后的螺旋槳槳葉和槳轂帽的尾流場進(jìn)行分析。槳葉尾流場對比見圖8，槳轂帽尾流場對比如下頁圖9所示。

圖8 槳葉尾流場對比

從圖8和圖9可以看出：加裝槳后固定組合葉輪后，無論螺旋槳槳葉還是槳轂帽后方的尾流場都更平順，梢渦和轂渦明顯削弱，尾流場中的周向誘導(dǎo)速度減小，單槳尾流中的旋轉(zhuǎn)能量得到回收?？梢?，合理安裝槳后固定組合葉輪能夠達(dá)到減弱螺旋槳梢渦和轂渦的目的，從而提高螺旋槳推進(jìn)效率。

圖9 槳轂帽尾流場對比

4 結(jié) 論

本文通過CFD方法對B4-65螺旋槳敞水性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合良好。另外，文中重點(diǎn)計(jì)算并驗(yàn)證了槳后固定組合葉輪的節(jié)能效果，通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)：

（1）槳后固定組合葉輪與螺旋槳產(chǎn)生有利干擾，槳后固定組合葉輪的存在會使螺旋槳上的推力有所增加。

（2）槳后固定組合葉輪能較好地削弱螺旋槳產(chǎn)生梢渦和轂渦，回收尾流能量。

（3）槳后固定組合葉輪是一種較好的節(jié)能裝置，在低進(jìn)速區(qū)（J＜0.65）的節(jié)能效果為1.3%～2.7%，且在J=0.3時達(dá)到最佳。推薦在低進(jìn)速（J＜0.4）船舶上使用，節(jié)能達(dá)2%以上。

槳后固定組合葉輪的結(jié)構(gòu)形式簡單、安裝成本低，因此可以被廣泛使用，尤其能夠滿足在原有建造方案不變的前提下提高船舶節(jié)能效率。但在實(shí)際應(yīng)用中，對應(yīng)不同的船型、槳型，應(yīng)對該裝置的葉輪安裝角度、軸向位置等參數(shù)進(jìn)行充分考慮，以便找到節(jié)能效果最佳的參數(shù)組合。

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［中圖分類號］U664.33

［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A

［文章編號］1001-9855（2015）03-0035-07

［收稿日期］2014-10-27；［修回日期］2014-11-24

［作者簡介］羊 慧（1990-），女，碩士，研究方向：計(jì)算流體力學(xué)。吳靜萍（1968-），女，博士，副教授，研究方向：船舶耐波性，計(jì)算流體力學(xué)。

Numerical simulation on energy-saving effect of marine post-propeller combined-blade stator

YANG Hui1WU Jing-ping2

(1. Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2. Wuhan University of Technology, Wuhan 430000, China)

Abstract：This paper proposes a new type of marine post-propeller energy-saving device， which is called combined-blade stator. The Computational Fluid Dynamics （CFD） method is used to investigate the energysaving mechanism and validate its energy-saving effect. Firstly， it carries out the simulation of the open water performance of a B4-65 propeller for the validation of numerical models and approaches. Then it mainly focuses on the simulation of its hydrodynamic performance with the installation of the Combined-blade Stator. The simulation results show that the Combined-blade Stator can effectively weaken the propeller tip and hub vortices to recycle wake energy. Moreover， the thrust of the propellers increases as a result of the favorable interference between the energy-saving devices and the propellers. It can earn 2% profit in case of low inflow velocity coeffi cient（J＜0.4）.

Keywords：propeller； post-propeller energy-saving devices； energy-saving effect； computational fl uid dynamics