主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)混合式CRP推進(jìn)器敞水性能的影響

王展智，熊鷹，王睿

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033)

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主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)混合式CRP推進(jìn)器敞水性能的影響

王展智，熊鷹，王睿

(海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢430033)

摘要:為了獲取主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)混合式CRP推進(jìn)器敞水性能的影響，采用RANS方法詳細(xì)研究了前槳、后槳和吊艙之間的相互干擾作用，進(jìn)一步詳細(xì)分析了前后槳間距和轉(zhuǎn)速比對(duì)其水動(dòng)力性能的影響規(guī)律。結(jié)果表明，處于后方的吊艙推進(jìn)器對(duì)前槳的干擾較小，而前槳尾流對(duì)吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能產(chǎn)生較大的影響;混合式CRP推進(jìn)器總的推力系數(shù)隨間距的增大而減小，扭矩系數(shù)變化不大，敞水效率隨間距的增大而減小;混合式CRP推進(jìn)器總的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨轉(zhuǎn)速比的增大而增大，但敞水效率隨轉(zhuǎn)速比的增大而減小;相同進(jìn)速系數(shù)下，混合式CRP推進(jìn)器的敞水性能與轉(zhuǎn)速比呈線性關(guān)系。

關(guān)鍵詞:混合式CRP推進(jìn)器;干擾;敞水性能;間距;轉(zhuǎn)速比

混合式CRP推進(jìn)器是一種組合傳統(tǒng)軸系螺旋槳和吊艙推進(jìn)器實(shí)現(xiàn)的新型對(duì)轉(zhuǎn)槳推進(jìn)方式，具有推進(jìn)效率高、操縱性能好、激振力和廢氣排放低等優(yōu)點(diǎn)，在綠色船舶的背景下具有廣闊的應(yīng)用前景。

2001年，韓國(guó)三星船模試驗(yàn)池［1］對(duì)超大型集裝箱船的單槳、雙尾鰭雙槳和混合式CRP推進(jìn)器3種推進(jìn)系統(tǒng)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，混合式CRP推進(jìn)器總效率比雙尾鰭雙槳高9％，比常規(guī)單槳高5％。Sasaki N等［2］對(duì)采用混合式CRP推進(jìn)器的船舶模型試驗(yàn)規(guī)程進(jìn)行了探索性研究。他們認(rèn)為采用該型推進(jìn)器的船模試驗(yàn)需要涉及不帶吊艙推進(jìn)器的阻力試驗(yàn)、帶混合式CRP推進(jìn)器的自航試驗(yàn)、混合式CRP推進(jìn)器敞水試驗(yàn)等。Sasaki N等［3］進(jìn)一步研究了混合式CRP推進(jìn)器的設(shè)計(jì)，并改進(jìn)了敞水試驗(yàn)方法。認(rèn)為混合式CRP敞水試驗(yàn)需包括前槳敞水試驗(yàn)，前槳帶吊艙艙體的敞水試驗(yàn)、吊艙推進(jìn)器敞水試驗(yàn)以及混合式CRP推進(jìn)器敞水試驗(yàn)等。Black S等［4］在英國(guó)紐卡斯?fàn)柎髮W(xué)水洞進(jìn)行了混合式CRP推進(jìn)器的敞水試驗(yàn)。試驗(yàn)并未考慮前后槳之間的間隙，但在數(shù)值計(jì)算時(shí)計(jì)入了槳轂的影響。他們還進(jìn)一步進(jìn)行了空泡試驗(yàn)。Shimamoto H等［5］評(píng)估了混合式CRP推進(jìn)器的整體性能。研究發(fā)現(xiàn)與傳統(tǒng)的單槳推進(jìn)相比，采用混合式CRP推進(jìn)器的集裝箱船舶不但可以節(jié)省功率而且可以提高船舶的操縱性能。Bong J C等［6］采用試驗(yàn)方法研究了采用混合式CRP推進(jìn)器的集裝箱船的實(shí)船推進(jìn)性能。研究發(fā)現(xiàn):在某航速下，前后槳的轉(zhuǎn)速比與前后槳的功率比是唯一相關(guān)的;在設(shè)計(jì)工況下，后槳對(duì)前槳的影響是可以忽略不計(jì)的。Schez A等［7］介紹了歐盟TRIPOD計(jì)劃，并從水動(dòng)力節(jié)能考慮，指出混合式CRP推進(jìn)器的前槳可以考慮采用CLT型槳，進(jìn)一步介紹了如何將混合式CRP推進(jìn)器水動(dòng)力性能模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)外推至實(shí)尺度推進(jìn)器，并給出了如何采用CFD方法準(zhǔn)確預(yù)報(bào)其自航性能。在國(guó)內(nèi)，盛立［8］、張可［9］率先采用RANS方法結(jié)合SST k－ω湍流模型研究了混合式CRP推進(jìn)器的敞水性能，通過(guò)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較驗(yàn)證了數(shù)值計(jì)算方法的準(zhǔn)確性。汪小翔［10］采用RANS方法計(jì)算了混合式CRP推進(jìn)器的定常水動(dòng)力性能和非定常水動(dòng)力性能。第26屆ITTC推進(jìn)委員會(huì)［11］認(rèn)為，關(guān)于混合式CRP推進(jìn)器的試驗(yàn)還比較少，相關(guān)研究還處于發(fā)展階段，建議下屆ITTC推進(jìn)委員會(huì)起草關(guān)于混合式CRP推進(jìn)器的試驗(yàn)規(guī)程。

由于混合式CRP推進(jìn)器的吊艙推進(jìn)器同時(shí)肩負(fù)舵的作用，在船舶操縱時(shí)必須進(jìn)行左右回轉(zhuǎn)，因此前后槳必須保持一定的距離才能正常工作。另一方面，混合式CRP推進(jìn)器采用相互獨(dú)立的功率輸入，前后槳的轉(zhuǎn)速比可以任意調(diào)節(jié)。鑒于此，本文重點(diǎn)研究前后槳的間距和轉(zhuǎn)速比對(duì)混合式CRP推進(jìn)器水動(dòng)力性能的影響。

1　數(shù)值計(jì)算模型

本文采用RANS方法結(jié)合SST湍流模型和滑移網(wǎng)格技術(shù)計(jì)算混合式CRP推進(jìn)器的敞水性能，該方法在混合式CRP推進(jìn)器水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)方面具有較高的精度，具體可參考文獻(xiàn)［8－9］。以海軍工程大學(xué)設(shè)計(jì)的4000TEU集裝箱船混合式CRP推進(jìn)器為研究對(duì)象，吊艙和前后槳的主要參數(shù)如表1和2所示，混合式CRP推進(jìn)器的外形輪廓如圖1所示。

圖1　混合式CRP推進(jìn)器外形輪廓Fig.1 Geometry of the hybrid CRP pod propulsion system

計(jì)算域的劃分綜合考慮對(duì)轉(zhuǎn)槳和吊艙推進(jìn)器的特點(diǎn)。流域?yàn)殚L(zhǎng)方體，入口離前槳盤面中心3Lpod，出口離后槳盤面中心10Lpod，左、右、上、下遠(yuǎn)場(chǎng)離盤面中心各5Lpod(Lpod為艙體的長(zhǎng)度)。整個(gè)流域分為4個(gè)部分，前方的來(lái)流域、前槳旋轉(zhuǎn)域、后槳旋轉(zhuǎn)域和后方的吊艙域。前、后槳旋轉(zhuǎn)域采用圓柱體形狀，劃分周期性結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其直徑為1.2DF(DF為前槳的直徑)。來(lái)流域與吊艙域均為靜止域，采用純六面體單元離散，4個(gè)流域通過(guò)交界面?zhèn)鬟f通量。螺旋槳和吊艙壁面生成邊界層網(wǎng)格，第一層網(wǎng)格的y+為80左右，邊界層的增長(zhǎng)率為1.05。整個(gè)計(jì)算域共400萬(wàn)左右的單元?？紤]真實(shí)的槳轂形狀，前后槳的槳葉、吊艙的表面網(wǎng)格分布如圖2所示。

表1　吊艙的主要參數(shù)Table 1 Pod parameters mm

表2　槳模的特征參數(shù)Table 2 Parameters of propellers

入口設(shè)為速度入口，給定均勻來(lái)流的速度值;出口設(shè)為壓力出口;外域邊界設(shè)為對(duì)稱面;前槳子域按照滑移網(wǎng)格的要求設(shè)為繞x軸以角速度20 r/s旋轉(zhuǎn);后槳子域速度按照前后槳的轉(zhuǎn)速比進(jìn)行設(shè)置，方向與前槳子域相反;槳葉和槳轂相對(duì)子域的旋轉(zhuǎn)速度為0，定義無(wú)滑移、不可穿透的壁面邊界條件，吊艙亦定義為無(wú)滑移、不可穿透的壁面邊界條件。進(jìn)速系數(shù)的改變通過(guò)來(lái)流速度的改變實(shí)現(xiàn)。采用有限體積法離散控制方程和湍流模型，對(duì)流項(xiàng)和擴(kuò)散項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散，壓力速度耦合迭代采用SIMPLEC方法。先采用定常方法計(jì)算，待收斂后再開(kāi)啟非定常模式，計(jì)算時(shí)間步為前槳旋轉(zhuǎn)1°所對(duì)應(yīng)的時(shí)間。

圖2　混合式CRP推進(jìn)器的表面網(wǎng)格劃分Fig.2 Grid of the hybrid CRP pod propulsion system

2　結(jié)果與分析

采用前、后槳各自的直徑和轉(zhuǎn)速對(duì)前、后槳的推力和扭矩系數(shù)進(jìn)行無(wú)量綱化。進(jìn)速系數(shù)J、前槳的推力系數(shù)、前槳的扭矩系數(shù)、后槳的推力系數(shù)、后槳的扭矩系數(shù)、吊艙單元的推力系數(shù)、混合式CRP推進(jìn)器的推力系數(shù)、混合式CRP推進(jìn)器的扭矩系數(shù)、混合式CRP推進(jìn)器敞水效率的定義如下:

式中:ρ、VA、nF、nA、DF、DA、QF、QA、TF、TA、Rpod分別為流體的密度、來(lái)流速度、前槳的轉(zhuǎn)速、后槳的轉(zhuǎn)速、前槳的直徑、后槳的直徑、前槳的扭矩、后槳的扭矩、前槳的推力、后槳的推力和吊艙的阻力。

2.1前后槳與吊艙的相互干擾分析

為了研究前槳、后槳和吊艙之間的相互干擾影響，同時(shí)計(jì)算了單獨(dú)前槳和單獨(dú)吊艙推進(jìn)器的敞水性能。螺旋槳的轉(zhuǎn)速和來(lái)流速度與混合式CRP推進(jìn)器完全一致。單獨(dú)前槳和混合式CRP推進(jìn)器的前槳敞水性能的對(duì)比如圖3所示，單獨(dú)吊艙推進(jìn)器和混合式CRP推進(jìn)器的吊艙推進(jìn)器敞水性能的對(duì)比如圖4所示。

從圖3可以看出:單獨(dú)前槳與混合式CRP推進(jìn)器的前槳敞水性能基本一致，在工作點(diǎn)附近，推力系數(shù)的差別不超過(guò)3％，而扭矩系數(shù)的差別不超過(guò)2％。其原因是前槳處于吊艙推進(jìn)器的上游，后槳對(duì)前槳的抽吸作用和吊艙對(duì)流體的阻塞作用相互抵消。

從圖4可以看出:前槳誘導(dǎo)速度對(duì)吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能產(chǎn)生了重要的影響。由于前槳尾流的加速作用，混合式CRP推進(jìn)器的后槳和吊艙單元的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)比單獨(dú)吊艙推進(jìn)器小很多，這種差別隨著進(jìn)速系數(shù)的減小而增大。

圖3　單獨(dú)前槳與混合式CRP推進(jìn)器的前槳敞水性能的對(duì)比Fig.3 Comparisons of open-water performance between forward propeller only and the hybrid CRP pod propulsion system

圖4　單獨(dú)吊艙推進(jìn)器與混合式CRP推進(jìn)器的吊艙推進(jìn)器敞水性能的對(duì)比Fig.4 Comparisons of open-water performance between pod unit only and the hybrid CRP pod propulsion system

J=0.781時(shí)，單獨(dú)前槳、單獨(dú)吊艙推進(jìn)器和混合式CRP推進(jìn)器在y=0剖面處無(wú)量綱軸向速度分布的對(duì)比如圖5所示。

圖5　y=0截面無(wú)量綱軸向速度分布的對(duì)比Fig.5 Comparisons of nondimensional axial velocity distribution at y=0 plane

從圖5可以看出:單獨(dú)前槳和混合式CRP推進(jìn)器的前槳前方來(lái)流速度分布大小及形態(tài)基本一致;而單獨(dú)吊艙推進(jìn)器與混合式CRP推進(jìn)器的后槳前方來(lái)流速度分布差異較大。相對(duì)于單獨(dú)的吊艙推進(jìn)器，混合式CRP推進(jìn)器的后槳前方來(lái)流極其不均勻，速度值較大。

單獨(dú)前槳單獨(dú)吊艙推進(jìn)器和混合式CRP推進(jìn)器槳后方的流線形態(tài)如圖6所示。

圖6　槳后方流線的對(duì)比Fig.6 Comparisons of streamlines behind propeller

從圖6可以看出:單獨(dú)前槳時(shí)，后方的流體質(zhì)點(diǎn)具有很強(qiáng)的旋轉(zhuǎn)能量，槳盤面正后方很長(zhǎng)距離內(nèi)，流線呈螺旋狀。對(duì)于單獨(dú)吊艙推進(jìn)器，吊艙的整流作用使槳后方螺旋狀流線分布面積減小;進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，流線經(jīng)過(guò)吊艙包時(shí)，產(chǎn)生一定的爬升。而對(duì)于混合式CRP推進(jìn)器，經(jīng)過(guò)后槳對(duì)轉(zhuǎn)吸收前槳尾流旋轉(zhuǎn)能量以及吊艙的整流作用，槳后方基本上不含螺旋狀流線。

2.2前后槳間距的影響

設(shè)計(jì)了4種前后槳盤面中心間距方案，分別為0.394DF、0.455DF、0.53DF和0.61DF。J=0.781時(shí)，前槳、吊艙單元和混合式CRP推進(jìn)器的敞水性能隨間距的變化如圖7所示。

從圖中可以看出:

1)前槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)受間距的影響不大。主要是由于前槳處于后槳的上游，一定范圍內(nèi)，后槳的抽吸作用使前槳來(lái)流速度的增加變化不大;

2)后槳和吊艙單元的推力系數(shù)隨著間距的減小而增大，后槳的扭矩系數(shù)亦隨間距的減小而增大，增大的幅度隨著間距的增加有變緩的趨勢(shì)，同時(shí)低進(jìn)速系數(shù)的增大幅度比高進(jìn)速系數(shù)大。這主要是由于間距減小，后槳回收前槳尾流能量增強(qiáng)引起的;

3)混合式CRP推進(jìn)器總的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨著間距的減小而略有增加，敞水效率隨著間距的減小而增大。從節(jié)能的角度上看，應(yīng)當(dāng)在保證吊艙推進(jìn)器正常回轉(zhuǎn)的前提下盡量減小前后槳的間距。

圖7　J=0.781時(shí)不同間距的混合式CRP推進(jìn)器的敞水性能Fig.7 Open water performance of the hybrid CRP pod propulsion system in different axial spacing at J=0.781

2.3前后槳轉(zhuǎn)速比的影響

設(shè)計(jì)了5種轉(zhuǎn)速比方案，分別為nA/nF=1.05、1.075、1.104、1.125和1.15。J=0.781時(shí)，前槳、吊艙單元和混合式CRP推進(jìn)器的敞水性能隨轉(zhuǎn)速比的變化如圖8所示。后槳占整個(gè)混合式CRP推進(jìn)器的功率百分比隨轉(zhuǎn)速比的變化如圖9所示。

后槳占整個(gè)混合式CRP推進(jìn)器的功率百分比定義如下:

式中:PF、PA分別為前槳和后槳的功率。

從圖9中可以看出:

1)前槳的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨著轉(zhuǎn)速比的增大而略有減小，其原因是后槳轉(zhuǎn)速增加，對(duì)前方流體的抽吸作用增強(qiáng)，進(jìn)而導(dǎo)致前槳來(lái)流速度增大而引起的，但這種影響極其有限;

2)后槳的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)以及吊艙單元的推力系數(shù)隨轉(zhuǎn)速比的增大而顯著增大;一定進(jìn)速系數(shù)下，吊艙單元的敞水性能與轉(zhuǎn)速比呈線性關(guān)系;

3)混合式CRP推進(jìn)器的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨轉(zhuǎn)速比的增大而增大，但扭矩系數(shù)增大的幅值比推力系數(shù)大，因而其敞水效率隨轉(zhuǎn)速比的增大而減小。一定進(jìn)速系數(shù)下，混合式CRP推進(jìn)器的敞水性能與轉(zhuǎn)速比呈線性關(guān)系。

4)后槳占整個(gè)混合式CRP推進(jìn)器的功率百分比隨轉(zhuǎn)速比和進(jìn)速系數(shù)的增大而增大。

圖8　J=0.781時(shí)不同轉(zhuǎn)速比混合式CRP推進(jìn)器的敞水性能Fig.8 Open water performance of the hybrid CRP pod propulsion system in different revolution ratio at J=0.781

圖9　不同轉(zhuǎn)速比時(shí)后槳占整個(gè)混合式CRP推進(jìn)器的功率百分比隨進(jìn)速系數(shù)的變化Fig.9 Variation of power ratio with advance coefficient in different revolution ratios

3　結(jié)論

采用RANS方法結(jié)合SST湍流模型計(jì)算了混合式CRP推進(jìn)器的敞水性能，詳細(xì)分析了前后槳與吊艙之間的相互干擾作用，研究了主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)混合式CRP推進(jìn)器水動(dòng)力性能的影響，為混合式CRP推進(jìn)器的尺度效應(yīng)研究及非設(shè)計(jì)工況下水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)奠定了基礎(chǔ)。結(jié)果表明:

1)處于后方的吊艙推進(jìn)器對(duì)前槳的干擾較小，設(shè)計(jì)工況附近可以忽略不計(jì)，而前槳尾流對(duì)吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能產(chǎn)生較大的影響;

2)混合式CRP推進(jìn)器總的推力系數(shù)隨著間距的增大而減小，而扭矩系數(shù)則變化不大，敞水效率隨著間距的增大而減小，故從節(jié)能的角度上看，應(yīng)當(dāng)在保證吊艙推進(jìn)器正常回轉(zhuǎn)的前提下盡量減小前后槳的間距;

3)混合式CRP推進(jìn)器的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)隨轉(zhuǎn)速比的增大而增大，但敞水效率隨轉(zhuǎn)速比的增大而減小;相同進(jìn)速系數(shù)下，混合式CRP推進(jìn)器的敞水性能與轉(zhuǎn)速比呈線性關(guān)系;后槳占整個(gè)混合式CRP推進(jìn)器的功率百分比隨轉(zhuǎn)速比和進(jìn)速系數(shù)的增大而增大。

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Effect of the main design parameters on the open-water performance of a hybrid CRP podded propulsion system

WANG Zhanzhi，XIONG Ying，WANG Rui
(Department of Naval Architecture，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China)

Abstract:To study the effect of the main design parameters on the open－water performance of a hybrid CRP pod propulsion system，a numerical simulation using the RANS method was conducted.The interaction between the forward propeller，aft propeller，and pod was analyzed，and the effect on hydrodynamic performance of the spacing distance between the forward and aft propellers，and the revolution ratio was also studied.It was shown that the podded propeller had little influence on the hydrodynamic performance of the forward propeller，while the forward propeller wake had a significant effect on the hydrodynamic performance of the pod propeller.The thrust coefficient and efficiency of the hybrid CRP pod propulsion system declined with an increase in the spacing，while the torque coefficient remained almost constant.The thrust coefficient，torque coefficient，and power ratio increased as the revolution ratio increased.In contrast，at the same advance coefficient，the open－water performance of the hybrid CRP pod propulsion system had a linear relationship with the revolution ratio.

Keywords:hybrid CRP pod propulsion system;interference;open－water performance;spacing distance;revolution ratio

通信作者:王展智，E－mail:wzz200425@ 126.com.

作者簡(jiǎn)介:王展智(1986－)，男，講師，博士.

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51479207);工信部高技術(shù)船舶科研基金資助項(xiàng)目(工信部聯(lián)裝［2012］534號(hào)).

收稿日期:2014－10－15.網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間:2015－12－23.

中圖分類號(hào):U661.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1006－7043(2016)01－0098－06

doi:10.11990/jheu.201410034

網(wǎng)絡(luò)出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.U.20151223.1045.002.html