氣層對(duì)肥大型船后螺旋槳的影響研究

吳　浩　葉　青　歐勇鵬

(海軍工程大學(xué)艦船工程系　武漢　430033)

氣層對(duì)肥大型船后螺旋槳的影響研究

吳浩葉青歐勇鵬

(海軍工程大學(xué)艦船工程系武漢430033)

摘要：基于RANS方程和VOF兩相流模型，建立了載重量95 000 t散貨船模型敞水槳，以及氣層作用下船后槳的水動(dòng)力性能計(jì)算方法；分析了噴氣與不噴氣情況下螺旋槳推力、轉(zhuǎn)矩，以及槳盤(pán)面處的流場(chǎng)，研究了噴氣對(duì)螺旋槳性能的影響規(guī)律.結(jié)果表明，噴氣使得船后槳盤(pán)面處軸向平均速度增大，平均伴流減??；對(duì)本文設(shè)計(jì)的氣層減阻方案而言，氣體并未進(jìn)入螺旋槳工作區(qū)；在相同速度和螺旋槳轉(zhuǎn)速下，噴氣使得船后螺旋槳的推力和轉(zhuǎn)矩均減小.

關(guān)鍵詞：氣層；螺旋槳；平均伴流；推力；轉(zhuǎn)矩

0引言

船底氣層的存在對(duì)船后的螺旋槳的影響程度如何，關(guān)系到氣層減阻技術(shù)在工程應(yīng)用中的可行性.若能獲得阻力大幅降低且螺旋槳性能變化不大的船舶氣層減阻技術(shù)，將會(huì)對(duì)我國(guó)的航運(yùn)事業(yè)節(jié)能減排做出重大的貢獻(xiàn).

Kodama等[1-2]在一艘海員訓(xùn)練船上開(kāi)展氣層減阻實(shí)船測(cè)試沒(méi)有獲得有效的節(jié)能效果，氣體進(jìn)入螺旋槳工作區(qū)是其中的主要原因之一.Hoang等[3]在結(jié)合邊界層積分方程及經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算噴氣對(duì)船舶阻力的影響時(shí)發(fā)現(xiàn)：邊界層的發(fā)展情況因噴氣而被改變，從而導(dǎo)致螺旋槳盤(pán)面處的速度分布發(fā)生改變，進(jìn)而影響螺旋槳的效率.Kawabuchi等[4]為了預(yù)估三菱重工集團(tuán)在船舶上安裝氣體潤(rùn)滑減阻裝的減阻效果，針對(duì)模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算.計(jì)算表明，氣泡的直徑變化不會(huì)影響減阻效果，且氣泡對(duì)螺旋槳的影響也可以忽略.Mizokami等[5]在2艘模塊化運(yùn)輸船舶上安裝了微氣泡氣層潤(rùn)滑系統(tǒng)，實(shí)船測(cè)試凈節(jié)能效果最大可達(dá)12%；隨著氣層厚度增加，節(jié)能效果增加；在加裝氣層潤(rùn)滑系統(tǒng)后，對(duì)螺旋槳直徑、螺距等參數(shù)進(jìn)行一定改進(jìn)后可進(jìn)一步提高節(jié)能效果.

為了研究船底氣層是否會(huì)進(jìn)入螺旋槳工作區(qū)，并且氣層的存在是否會(huì)影響螺旋槳的推進(jìn)效率.本文分別對(duì)敞水槳和噴氣狀態(tài)下船后槳進(jìn)行數(shù)值模擬，觀測(cè)氣體是否進(jìn)入螺旋槳的工作區(qū)，并對(duì)氣層對(duì)螺旋槳推進(jìn)性能的影響規(guī)律進(jìn)行探索.

1螺旋槳敞水性能

1.1數(shù)值計(jì)算模型與網(wǎng)格劃分

螺旋槳計(jì)算模型的主要參數(shù)見(jiàn)表1.

表1　模型螺旋槳主要參數(shù)

圖1～2分別給出了螺旋槳表面網(wǎng)格劃分及流場(chǎng)區(qū)域邊界條件設(shè)置.為提高計(jì)算精度，外部流場(chǎng)采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散，螺旋槳周?chē)鲌?chǎng)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，兩者之間采用interface過(guò)渡.入口定義為速度入口，出口定義靜壓出口，流場(chǎng)邊界定義為無(wú)滑移壁面，內(nèi)部流場(chǎng)區(qū)域采用MRF方法繞槳軸旋轉(zhuǎn)，湍流模型選擇RNG k-ε湍流模型.

圖1　螺旋槳表面網(wǎng)格劃分

圖2　流場(chǎng)區(qū)域劃分及邊界條件設(shè)置

1.2計(jì)算結(jié)果分析

圖3給出了螺旋槳敞水性能曲線的計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比.圖中kt和kq分別為推力系數(shù)和轉(zhuǎn)矩系數(shù)；ηo為敞水效率；J為螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)，計(jì)算公式如下.

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：T為螺旋槳推力；Qb為螺旋槳轉(zhuǎn)矩；ρ為流體密度；n為螺旋槳的轉(zhuǎn)速；D為螺旋槳的直徑；Va為螺旋槳的進(jìn)速.

從圖3可知，計(jì)算值與試驗(yàn)值誤差不大，kt最大誤差為4.46%，kq最大誤差為5.08%，ηo最大誤差為3.8%，計(jì)算值與試驗(yàn)值相差較小，說(shuō)明計(jì)算結(jié)果合理可靠.

圖3　螺旋槳敞水性能曲線

2噴氣對(duì)槳盤(pán)處流場(chǎng)的影響

2.1計(jì)算模型

計(jì)算模型母型船為一艘載重量95 000 t散貨船，母型基本參數(shù)見(jiàn)表2.船底凹槽的設(shè)計(jì)采用文獻(xiàn)[6]中的方案3.

表2　散貨船模型船體參數(shù)

該船為典型的低速肥大船型，具有大平底，長(zhǎng)平行中體的特點(diǎn)，且Cb>0.8，0.13

圖4給出了計(jì)算流域網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)置.整個(gè)流域采用全結(jié)構(gòu)網(wǎng)格離散，入口設(shè)定為速度入口，距船體1倍船長(zhǎng)，出口為靜壓出口，距船體2倍船長(zhǎng)，流場(chǎng)側(cè)面距船體1倍船長(zhǎng)，均設(shè)置為光滑壁面，中縱剖面設(shè)置為對(duì)稱(chēng)面.圖5給出了船體表面全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.根據(jù)模型尺寸分別計(jì)算船體表面邊界層厚度及第一層網(wǎng)格尺寸，保證在所計(jì)算速度范圍內(nèi)y+值介于30～130之間.湍流模型為RNG k-ε模型，多相流模型選擇VOF多相流模型；控制方程的離散為二階迎風(fēng)格式，壓力與速度的耦合采用SIMPLEC算法.

圖4　疊模網(wǎng)格方案及邊界設(shè)置

圖5　帶凹槽船體表面上的網(wǎng)格劃分

2.2計(jì)算結(jié)果分析

圖6給出了不同航速和氣流量下螺旋槳盤(pán)面處流場(chǎng)速度云圖.

圖7給出了螺旋槳盤(pán)面不同半徑處軸向速度沿周向的變化曲線.圖中0°取為縱軸正向.

圖6　不同氣流量下螺旋槳盤(pán)面處流場(chǎng)分布

圖7　螺旋槳盤(pán)面不同半徑處軸向速度

結(jié)合圖6～7可知，與不噴氣時(shí)船尾流場(chǎng)相比，噴氣使得船體周?chē)鲌?chǎng)改變，進(jìn)而使得螺旋槳盤(pán)面處軸向平均速度增大，即螺旋槳盤(pán)面處的平均伴流減小.

3噴氣對(duì)船后螺旋槳的影響

考慮到船后螺旋槳與船體之間的相互影響，對(duì)噴氣狀態(tài)下的船后螺旋槳性能進(jìn)行了研究.船體表面興波對(duì)螺旋槳盤(pán)面處流場(chǎng)影響甚微[9].同時(shí)，低速肥大型船底部噴氣對(duì)航行姿態(tài)的影響也較小.基于以上結(jié)論，為提高計(jì)算效率，計(jì)算中忽略船體表面興波的影響.

3.1計(jì)算模型

主船體及周?chē)鲌?chǎng)采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散，螺旋槳及周?chē)捎梅墙Y(jié)構(gòu)化網(wǎng)格離散，兩者之間采用interface過(guò)渡.圖8給出了船首及船尾螺旋槳表面網(wǎng)格的劃分情況，圖9給出了流場(chǎng)網(wǎng)格的劃分和邊界條件的設(shè)定情況.

圖8　船艏及船艉表面網(wǎng)格劃分

圖9　流場(chǎng)網(wǎng)格劃分及邊界條件

3.2計(jì)算結(jié)果分析

圖10給出了不同速度下，氣流量為10 m3/h時(shí)螺旋槳表面的氣相分布云圖.由圖10可見(jiàn)，對(duì)本文所計(jì)算的模型及凹槽開(kāi)設(shè)方案而言，氣體并未進(jìn)入螺旋槳工作區(qū).圖11給出了強(qiáng)制自航試驗(yàn)時(shí)拍攝的模型底部氣層照片，從試驗(yàn)拍攝到的模型底部氣層形態(tài)照片上也可以驗(yàn)證這一結(jié)論.

圖10　船艉氣相分布

圖11　模型底部氣層形態(tài)

表3給出了不同速度下，氣流量為10 m3/h與不噴氣時(shí)螺旋槳推力及轉(zhuǎn)矩的計(jì)算值.數(shù)值計(jì)算時(shí)，通過(guò)不斷變化螺旋槳轉(zhuǎn)速，使得螺旋槳推力與模型阻力大小相等時(shí)對(duì)應(yīng)的螺旋槳轉(zhuǎn)速即為模型的自航點(diǎn).表3中所列轉(zhuǎn)速即為通過(guò)數(shù)值計(jì)算尋找到的模型不噴氣時(shí)的自航點(diǎn)，對(duì)應(yīng)的推力和阻力值相差小于2%.從表3可知，相同航速和螺旋槳轉(zhuǎn)速下，噴氣時(shí)螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩值較不噴氣時(shí)均變小.其原因在于噴氣使得螺旋槳盤(pán)面處軸向速度增大，平均伴流減小，相同轉(zhuǎn)速下螺旋槳進(jìn)速增大，故kt，kq減小.同時(shí)，噴氣時(shí)氣體未進(jìn)入螺旋槳工作區(qū)，流體密度ρ不變，因此噴氣時(shí)螺旋槳推力及轉(zhuǎn)矩均減小.

值得注意的是，噴氣時(shí)模型總阻力減小，螺旋槳自航點(diǎn)將發(fā)生改變，從而推進(jìn)效率也將發(fā)生改變，因此研究噴氣對(duì)螺旋槳推進(jìn)性能的影響需要對(duì)螺旋槳在新的自航點(diǎn)處進(jìn)行分析，這是后續(xù)應(yīng)該深入研究的問(wèn)題.

表3　噴氣前后螺旋槳推力及轉(zhuǎn)矩

4結(jié)論

本文基于RANS方程和VOF兩相流模型，對(duì)螺旋槳敞水性能，噴氣前后船尾流場(chǎng)分布及噴氣前后船后螺旋槳推進(jìn)性能進(jìn)行數(shù)值模擬.主要結(jié)果如下.

1) 噴氣使得螺旋槳盤(pán)面處軸向平均速度增大，平均伴流減小.

2) 相同速度和螺旋槳轉(zhuǎn)速下，噴氣使得螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩值較不噴氣時(shí)減小.

3) 對(duì)本文中的船底凹槽方案而言，氣體并未進(jìn)入螺旋槳工作區(qū).

4) 噴氣使得船舶的阻力減小，螺旋槳自航點(diǎn)將發(fā)生改變，因此研究噴氣對(duì)螺旋槳推進(jìn)性能的影響需要對(duì)螺旋槳在新的自航點(diǎn)處進(jìn)行分析.

參 考 文 獻(xiàn)

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Study on the Influence of Air Layer to the Propeller of a Full Formed Ship

WU HaoYE QingOU Yongpeng

(NavalEngineeringDepartment,NavalUniv.ofEngineering,Wuhan430033,China)

Abstract：The propulsion performances of the open-water propeller and after ship propeller with air injection for a 95000 DWT bulk carrier are studied by RANS and VOF multiphase model. The influence of air injection on the propulsion performance of the propeller is investigated by the comparison of the thrust and torque of propeller, flow field at the propeller plane and the air phase distribution in the propeller working area for the cases with and without air injection. The results show that the average wake in the flow field of the propeller plane becomes smaller with the air injected to the ship bottom. There is no air in the propeller working area and the thrust and torque of the propeller is smaller than the case without air injection at the same ship sailing and propeller rotate speed.

Key words：air layer; propeller; average wake; thrust; torque

收稿日期：2016-03-03

中圖法分類(lèi)號(hào)：U644.33

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.012

吳浩(1987- )：男，博士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榇傲黧w動(dòng)力性能

*高性能船舶技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金項(xiàng)目(2013033102)、工信部高技術(shù)船舶科研計(jì)劃項(xiàng)目([2011]530)資助