船體影響下舵附推力鰭的節(jié)能效果研究

胡海洲，蘇玉民，沈海龍，孫　瑜（哈爾濱工程大學(xué) 水下機器人技術(shù)重點實驗室，黑龍江　哈爾濱 150001）

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船體影響下舵附推力鰭的節(jié)能效果研究

胡海洲，蘇玉民，沈海龍，孫瑜
（哈爾濱工程大學(xué) 水下機器人技術(shù)重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150001）

摘要:通過 CFD 方法實現(xiàn)船舶自航試驗?zāi)M，計算在船體影響下舵附推力鰭可帶來 2.3%左右的節(jié)能效果，分析指出舵附推力鰭通過吸收螺旋槳尾流能量，增加螺旋槳推力，改善船尾伴流，降低船身阻力的節(jié)能原理。計算敞水狀態(tài)下槳/舵/舵附推力鰭系統(tǒng)的推進(jìn)性能，并與船體影響下的推進(jìn)性能進(jìn)行比較，指出敞水狀態(tài)下舵附推力鰭的工作狀態(tài)與在船體影響下有著較大不同，為設(shè)計人員提供基礎(chǔ)參考。

關(guān)鍵詞：CFD；舵附推力鰭；節(jié)能裝置；船體干擾

0　引　言

舵附推力鰭是一種安裝方便的槳后節(jié)能裝置。舵附推力鰭的節(jié)能原理主要為改變槳后尾流，吸收槳后尾流能量，產(chǎn)生附加推力。舵附推力鰭最早由日本石川島播磨重工于1983年研制出來，國內(nèi)學(xué)者郭春雨通過面元法以及非線性渦格法計算了槳后舵附推力鰭的水動力性能，陳雷強等[3]進(jìn)行舵附推力鰭參數(shù)化設(shè)計以及試驗的研究，張旭婷等[4]進(jìn)行基于面元法的槳后舵附推力鰭尾流場的研究，沈海龍[5]對船體以及節(jié)能附體的非定常干擾進(jìn)行研究，趙大剛等[6]對船槳舵舵球式推力鰭性能進(jìn)行相關(guān)研究。目前學(xué)術(shù)界大多是對敞水情況下舵附推力鰭性能進(jìn)行研究，而實際中舵附推力鰭工作在船體之后，在船體影響下的螺旋槳尾流和敞水情況下螺旋槳尾流有著較大不同，因此對船體影響下舵附推力鰭節(jié)能效果的研究顯得尤為重要。本文研究了某散貨船舵附推力鰭在船體影響下的節(jié)能效果，并與敞水狀態(tài)中的情況進(jìn)行對比分析。

1　模型

本文所研究的船為某散貨船，該船主尺度如表 1所示，幾何外形如圖1 所示，螺旋槳為 4 葉右旋槳，直徑 5.72 m。船?？s尺比為 29.197。

2　船模自航模擬

2.1計算網(wǎng)格及設(shè)置

計算域為自船首向前延伸 1 倍船長，船尾向后延伸 3 倍船長，兩側(cè)為 1.5 倍船長，自由液面以下為 1.5倍船長，自由液面以上為 1 倍船長。計算網(wǎng)格采用切割體網(wǎng)格，在螺旋槳旋轉(zhuǎn)區(qū)域采用四面體網(wǎng)格，螺旋槳區(qū)域與外部區(qū)域采用 interface 交界面，在船首、船尾、自由液面、螺旋槳尾流等處進(jìn)行加密，在船體表面生成 8 層棱柱形邊界層網(wǎng)格，邊界層網(wǎng)格增長率為1.2，整個區(qū)域網(wǎng)格分辨率由遠(yuǎn)場到近場逐漸提高，全部區(qū)域網(wǎng)格數(shù)量為 260 萬，其中螺旋槳區(qū)域為 49 萬網(wǎng)格。網(wǎng)格分布情況如圖2 所示。

表1　船舶主尺度Tab.1　Ship main dimension

圖1　船體幾何外形和螺旋槳幾何外形Fig. 1　Ship geometry and propeller geometry

本文采用 VOF 模型來模擬氣液兩相流，湍流模型選擇 k-ε 湍流模型，螺旋槳旋轉(zhuǎn)通過 MRF 模型實現(xiàn)。計算工況選擇 1.428 m/s 航速（傅汝德數(shù)為 0.186，相同傅汝德數(shù)下實船航速為 15 kn），邊界條件采用速度入口，壓力出口，船體兩側(cè)壁面采用對稱面，底側(cè)及上壁面采用滑移壁面，船體、螺旋槳、舵表面為不可滑移壁面。

2.2計算結(jié)果

計算中，選擇3個不同的螺旋槳轉(zhuǎn)速來尋找船模的實船自航點，分別在其收斂時記錄推力，轉(zhuǎn)矩以及船體及舵的阻力。計算結(jié)果如表 2 所示。

在船模試驗中，該航速下強制力為 14.334 N，通過對3種狀態(tài)下的計算結(jié)果進(jìn)行回歸分析，得到船模在實船自航點轉(zhuǎn)速、船后推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)與實驗值比較如表 3 所示。

圖2　網(wǎng)格分布情況Fig. 2　Grid distribution

表2　不同轉(zhuǎn)速下計算結(jié)果Tab.2　Calculation result under different rotation rates

表3　自航點參數(shù)與實驗值對比誤差Tab.3　Errors between calculation and experiment

自航實驗于上海船舶運輸科學(xué)研究所完成，實驗照片如圖3 所示。根據(jù)所得誤差可以看出，計算結(jié)果誤差較小，計算方法可以很好地模擬出實驗中的船槳工作狀態(tài)。另外，本文對自由液面的捕捉情況如圖4所示，可以看出本方法可以很好地計算出船體的興波情況。

圖3　船模自航實驗照片F(xiàn)ig. 3　Free surface

圖4　自由液面Fig. 4　Geometry of thrust fins

3　船體影響下舵附推力鰭的節(jié)能效果

本文所采用的舵附推力鰭由 NACA 系列翼型生成，弦長為 53 mm，安裝角為 0°角，展長為 58 mm。幾何形狀如圖5 所示。

采用和上文相同的網(wǎng)格劃分方式以及邊界條件設(shè)置，槳舵區(qū)域表面網(wǎng)格分布如圖6 所示。

選擇和上文所述不帶舵附推力鰭相同的工況和設(shè)置，選擇3組不同的轉(zhuǎn)速，記錄推力、轉(zhuǎn)矩、船體以及舵和舵附推力鰭的受力如表 4 所示，其中從船尾向船首看，左側(cè)舵附推力鰭為左鰭，右側(cè)為右鰭。

圖5　舵附推力鰭幾何外形Fig. 5　Mesh on propeller and rudder

圖6　槳舵部分表面網(wǎng)格分布Fig. 6　rotation rate distribution of the wake

表4　安裝舵附推力鰭船體計算結(jié)果Tab.4　Calculation result with additional thrust fins

通過對計算結(jié)果回歸分析得到安裝舵附推力鰭船體的自航點參數(shù)，與不帶舵附推力鰭船體自航點參數(shù)比較如表 5 所示。

表5　帶舵附推力鰭與不帶舵附推力鰭自航點參數(shù)對比Tab.5　Compare of self-propulsion results between ordinary rudder and rudder with thrust fins

由此可見，在采用舵附推力鰭后，船模達(dá)到實船自航點時螺旋槳轉(zhuǎn)速降低 0.67%，轉(zhuǎn)矩降低 1.63%，螺旋槳載荷降低 1.21%，螺旋槳收到功率由原來的 46.3 W降到 45.21 W，起到 2.34%的節(jié)能效果。

為具體分析舵附推力鰭的節(jié)能效果，選出相同來流速度和相同螺旋槳轉(zhuǎn)速下的2組計算結(jié)果進(jìn)行對比分析如表 6 所示。

表6　相同螺旋槳轉(zhuǎn)速及來流速度下計算結(jié)果對比Tab.6　Compare under same rotation rate and velocity of coming flow

由此可以看出，在相同轉(zhuǎn)速、相同來流速度下，加上舵附推力鰭后螺旋槳的推力有 1.1%的增加，轉(zhuǎn)矩有 0.42%的增加，船身阻力有 0.85%的降低，由于兩側(cè)的舵附推力鰭一個產(chǎn)生推力，一個產(chǎn)生阻力，二者綜合后舵增加的阻力相對于船體總阻力而言較小，采用舵附推力鰭后船體及舵總阻力降低 0.63%。另一方面，在相同轉(zhuǎn)速下，螺旋槳推力有所增加，這是由于舵附推力鰭使得槳后尾流周向誘導(dǎo)速度減小，減少了旋轉(zhuǎn)能量的損失，使得推力增大。舵附推力鰭對槳后尾流的影響可以在圖7 的比較中看出，圖中顯示的是在舵后相同位置處水流周向速度分量的無量綱等值線，可以看到在有舵附推力鰭的情況下，舵后尾流周向速度分量有所減小，即旋轉(zhuǎn)速度有所減少，旋轉(zhuǎn)能量得到回收。

圖8 為舵附推力鰭所在位置一縱向剖面的速度矢量分布，其中在左鰭處，由于尾流方向本來周向部分很小，所以對尾流改變不大，在右鰭處由于尾流周向速度較大，所以右鰭對螺旋槳尾流的影響較大，在右鰭后緣可以明顯看到這種改變，這也是右鰭產(chǎn)生推力的原因。

舵附推力鰭使槳后周向速度的減小同時也改善了船尾處水流的流動，使船身阻力有所降低，圖9 為在船尾同縱向位置處水流橫向速度大小的無量綱比較，其中左側(cè)為有舵附推力鰭的情況下船尾伴流橫向速度大小的分布，可以看出在有舵附推力鰭的情況下，船尾伴流橫向速度略有減小，改善了尾部流動，使船體阻力略有降低。此二原因是舵附推力鰭重要的節(jié)能原因，在這2種原因的驅(qū)使下，船舶達(dá)到自航點時轉(zhuǎn)速降低，轉(zhuǎn)矩降低，最終達(dá)到最后的節(jié)能效果。

為驗證本節(jié)能裝置的節(jié)能可靠性，本文又做了1.238 m/s，1.333 m/s，1.523 m/s航速下（傅汝德數(shù)分別為 0.161，0.173，0.198）的節(jié)能效果計算，計算方法與上相同，并繪制節(jié)能效果隨航速的變化曲線如圖10所示，其中節(jié)能效果以收到功率減少百分?jǐn)?shù)表示。由結(jié)果可知，該舵附推力鰭能在傅汝德數(shù)為 0.16 ～ 0.19范圍內(nèi)保持 2.2% ～ 2.4%左右的節(jié)能效果。

圖7　舵后尾流周向速度分布Fig. 7　Vectors distribution between ordinary rudder and rudder with thrust fins

4　與敞水狀態(tài)中舵附推力鰭節(jié)能效果對比分析

對上文所述槳-舵-舵附推力鰭進(jìn)行敞水狀態(tài)中的推進(jìn)性能模擬，模擬中進(jìn)速為 4 m/s，通過調(diào)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速來改變進(jìn)速系數(shù)，采用和上文相同的縮尺比，分別得到 0.3，0.4，0.5，0.6 四個進(jìn)速下的槳舵推進(jìn)性能，如表 7 所示，其中 ktt，η 為槳舵系統(tǒng)總推力系數(shù)及效率。

由計算結(jié)果看，采用上文所用槳、舵以及舵附推力鰭，在敞水狀態(tài)下舵附推力鰭在 0.4，0.5，0.6 進(jìn)速系數(shù)下均使槳舵系統(tǒng)總效率有所下降，僅在 0.3 進(jìn)速系數(shù)下系統(tǒng)效率有所提高。這是由于在敞水狀態(tài)下的螺旋槳尾流和在船體影響下的螺旋槳尾流不同而導(dǎo)致，在敞水狀態(tài)下螺旋槳之后舵附推力鰭之前水流周向速度分量并不明顯，而在船體影響下，右側(cè)舵附推力鰭前水流的周向分量較大，舵附推力鰭對對流的改變有較大影響，這種情況可從圖11（c）與圖11（d）的比較中看出，其中敞水槳的進(jìn)速選擇與自航中相當(dāng)?shù)?0.46 進(jìn)速系數(shù)。

另外，在敞水狀態(tài)下，舵附推力鰭對船后尾流的改善，對船身阻力降低的影響并不能得到體現(xiàn)。由此可見，敞水狀態(tài)和船體干擾下的舵附推力鰭的工作狀態(tài)不同，船舶設(shè)計工作者在設(shè)計舵附推力鰭的時候，有必要考慮船體的影響。

圖8　帶舵附推力鰭與不帶舵附推力鰭尾流矢量對比Fig. 8　Rotation rate of the flow in the stern

5　結(jié)　語

本文計算了在船體影響下舵附推力鰭的節(jié)能效果，結(jié)果顯示在船體影響下，舵附推力鰭可帶來2.3%左右的節(jié)能效果。通過對計算結(jié)果的分析，給出了舵附推力鰭吸收螺旋槳尾流能量，增加螺旋槳推力，改善伴流，減小船身阻力的節(jié)能原理。通過計算敞水狀態(tài)中的槳/舵/舵附推力鰭的推進(jìn)性能，與船體影響下的推進(jìn)性能比較分析得出，敞水情況下舵附推力鰭的工作狀態(tài)與船體影響下的工作狀態(tài)不同，相關(guān)人員在設(shè)計舵附推力鰭的時候應(yīng)考慮船體對螺旋槳尾流的影響。

圖9　船尾切面水流橫向速度大小分布Fig. 9　Energy saving result under different speed

圖10　舵附推力鰭節(jié)能效果隨航速變化Fig. 10　Vectors between open water case and self-propulsion case

表7　敞水下槳/舵與槳/舵/舵附推力鰭系統(tǒng)性能對比Tab.7　Open water performance between propeller-rudder system and propeller-ruddel-thrust fin system

圖11　敞水狀態(tài)下與船體影響下舵附推力鰭位置矢量對比Fig. 11　Vectors between open water case and self-propulsion case

參考文獻(xiàn)：

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Energy saving research on the rudder with additional trust fins under interaction of ship hull

HU Hai-zhou, SU Yu-min, SHEN Hai-long, SUN Yu (Harbin Engineering University, Science and Technology on Underwater Vehicle Laboratory, Harbin 150001, China)

Abstract:Ship self-propulsion is well simulated by CFD method. The energy saving performance of the rudder with additional trust fins are calculated to be 2.3% benefit under interaction of the ship hull. The result shows that absorbing the energy of the wake, improving the trust and reducing the resistance of the ship hull account for that energy saving performance. The performance of the propeller and rudder with additional trust fins under open water case is also calculated. The compare between the open water case and self-propulsion case are given. Results show that the work state of the additional fins under open water case and self-propulsion case has big different. The result gives references to the trust fins designers.

Key words:CFD；rudder with additional trust fins；energy saving device；ship hull interaction

作者簡介：胡海洲(1989–)，男，碩士研究生，研究方向為船舶推進(jìn)。

收稿日期：2015–09–29； 修回日期: 2016–02–29;

文章編號：1672–7619(2016)03–0067–06

doi：10.3404/j.issn.1672–7619.2016.03.015

中圖分類號：U664.4+1

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A