海洋污損對(duì)螺旋槳葉切面性能影響的數(shù)值模擬

張濤，彭飛，閔少松

海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢 430033

海洋污損對(duì)螺旋槳葉切面性能影響的數(shù)值模擬

張濤，彭飛，閔少松

海軍工程大學(xué)艦船工程系，湖北武漢 430033

通常情況下，艦艇螺旋槳槳葉表面為拋光金屬材質(zhì)，沒(méi)有涂裝防污涂層，使得槳葉易受到海洋污損生物的附著和侵蝕，然而污損對(duì)螺旋槳性能的影響研究較少。采用CFD方法對(duì)污損螺旋槳葉切面流場(chǎng)分布進(jìn)行數(shù)值模擬，在污損生物群落中選取藤壺作為污損對(duì)象，并在幾何層面上進(jìn)行直接建模。計(jì)算結(jié)果表明，污損使得葉切面邊界層分離更早、分離區(qū)域更大，進(jìn)而使得葉切面升阻比顯著降低（最大降低了近90%），從而導(dǎo)致螺旋槳推進(jìn)效率大幅降低；當(dāng)藤壺高度超過(guò)一定閾值后，藤壺的繼續(xù)生長(zhǎng)對(duì)葉切面升阻力的影響變得較小。

海洋污損；葉切面；升阻力；SST k-ω湍流模型

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.tj.20160531.1104.012.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

引用格式：張濤，彭飛，閔少松.海洋污損對(duì)螺旋槳葉切面性能影響的數(shù)值模擬［J］.中國(guó)艦船研究，2016，11（3）：32-36.

ZHANG Tao，PENG Fei，MIN Shaosong.Numerical simulation of the effects of biofouling on the hydrodynamic perfor?mance of propeller blade sections［J］.Chinese Journal of Ship Research，2016，11（3）：32-36.

0　引　言

在海洋水生環(huán)境中附著和生長(zhǎng)于物體表面的微生物、植物和動(dòng)物稱(chēng)之為海洋污損（簡(jiǎn)稱(chēng)污損）［1］。當(dāng)一艘艦艇下水后污損便開(kāi)始在艦艇上附著生長(zhǎng)，在艦艇進(jìn)行清洗和重新涂裝之前污損將持續(xù)地生長(zhǎng)積累。艦艇的污損程度取決于艦艇在海上的時(shí)間、航行水域的溫度和鹽度以及防污漆的效能等因素。研究表明，污損會(huì)增加船體表面粗糙度，進(jìn)而導(dǎo)致船體摩擦阻力和燃油消耗增加，并降低最高航速和續(xù)航力［2-3］。

根據(jù)污損生物的形態(tài)，可將污損分為微觀(guān)和宏觀(guān)2類(lèi)。Taylan［4］等研究發(fā)現(xiàn)，微觀(guān)污損（如生物粘膜）可以引起船舶阻力增加1%～2%，而宏觀(guān)污損（例如藤壺）可使得船舶阻力最高增加40%；Schultz等［5］采用美國(guó)海軍技術(shù)手冊(cè)的污損分級(jí)方法和相當(dāng)粗糙度概念，研究了污損對(duì)艦艇需求軸功率的影響，研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)一艘護(hù)衛(wèi)艦以巡航航速航行時(shí)，與船體光滑狀態(tài)相比，嚴(yán)重粘膜污損和嚴(yán)重鈣質(zhì)污損可導(dǎo)致需求軸功率分別增加21%和86%；然而他們的研究均未考慮螺旋槳污損的影響。據(jù)美國(guó)海軍技術(shù)手冊(cè)［6］，螺旋槳污損引起艦艇燃油消耗的增加可占船體中度污損影響的50%，而螺旋槳表面一般都是拋光金屬，且沒(méi)有防污涂層，使得槳葉更容易受到污損的附著和侵蝕，25thITTC［7］指出，迄今為止引起螺旋槳粗糙度的最大原因便是污損，即使螺旋槳粗糙度少量的增加也會(huì)導(dǎo)致需求軸功率的大幅增加。Khor等［8］使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型與標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)對(duì)各種污損狀況下二維NACA 4424翼剖面進(jìn)行了數(shù)值模擬，得到了一些有意義的結(jié)論，然而k-ε湍流模型與標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)不適于處理翼剖面上的流動(dòng)分離。本文將選取在船用螺旋槳應(yīng)用廣泛的NSRDCNACA-66mod翼型剖面［9］作為螺旋槳葉切面，以圓錐柱模擬藤壺，采用CFD數(shù)值方法研究不同尺寸的藤壺對(duì)葉切面升阻力的影響，并將對(duì)污損影響的物理機(jī)制進(jìn)行分析。

1　數(shù)值方法

1.1污損建模

藤壺是螺旋槳污損生物群落中的優(yōu)勢(shì)物種，在艦艇螺旋槳表面的分布如圖1所示。藤壺呈圓錐形，殼口直徑小于基底直徑，壁板與基底交角小于90°［10］，因此在數(shù)值計(jì)算中采用圓錐柱模擬藤壺，其三維實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。本文數(shù)值模擬采用二維模型（圖3），依據(jù)對(duì)艦艇螺旋槳污損情況的調(diào)研分析，以藤壺的尺寸為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置了3種污損模型，具體參數(shù)如表1所示，在表1中設(shè)置了光滑葉切面模型作為對(duì)照。

圖1　艦艇螺旋槳上藤壺的形態(tài)和分布Fig.1　Barnacles distribution on a ship propeller

圖2　實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ虵ig.2　Experimental model

圖3　數(shù)值計(jì)算的污損葉切面模型Fig.3　A fouled blade section model of the simulations

表1　污損模型的參數(shù)Tab.1　The parameters of fouled models

1.2計(jì)算方法

不可壓縮流體的雷諾平均連續(xù)方程和動(dòng)量方程為：

式中：ρ為流體密度；uˉi，uˉj為速度向量的時(shí)均值；為雷諾應(yīng)力；pˉ為平均壓力；μ為動(dòng)力粘性系數(shù)。

在近壁區(qū)的處理方法上，傳統(tǒng)的壁面函數(shù)法主要依據(jù)簡(jiǎn)單的平行流邊界層實(shí)測(cè)資料歸納得出，對(duì)于彎曲壁面流動(dòng)或流動(dòng)分離過(guò)大，這種處理方法不太理想［11］?？紤]到污損葉切面模型表面凹凸不平，在流場(chǎng)中存在著許多各種尺度的分離渦流，傳統(tǒng)的壁面函數(shù)法已不再適用，需要采用對(duì)粘性底層直接求解的近壁面模型。在RANS模型中常用的近壁面模型有低雷諾數(shù)k-ε模型，k-ω與SST k-ω模型，其中SST k-ω湍流模型具有k-ω模型的近壁區(qū)計(jì)算準(zhǔn)確性與k-ε模型遠(yuǎn)區(qū)自由流動(dòng)的魯棒性。Menter［12］分別使用k-ε，k-ω，BSL k-ω 與SST k-ω模型對(duì)水翼繞流場(chǎng)進(jìn)行了模型研究，發(fā)現(xiàn)SST k-ω模型對(duì)流場(chǎng)分布的計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合得最好。因此文中采用SST k-ω模型對(duì)粗糙二維翼剖面的流場(chǎng)分布展開(kāi)研究，SST k-ω模型的描述如下：

式中：k為湍動(dòng)能；w為耗散率；Gk為平均速度梯度所產(chǎn)生的湍動(dòng)能；Gw表示w的產(chǎn)生；Γk與Γw分別表示k與w的有效擴(kuò)散率；Yk與Yw分別表示k與w湍流引起的耗散；Sk與Sw為自定義源項(xiàng)。

1.3網(wǎng)格與邊界條件

為了準(zhǔn)確求解葉切面尾流，采用C型網(wǎng)格，首部圓的半徑為10c，尾部長(zhǎng)方形邊長(zhǎng)為20c（c為葉切面的弦長(zhǎng)）。由于污損情況下葉切面表面的幾何不規(guī)則性，采用混合網(wǎng)格形式：葉切面附近區(qū)域使用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，遠(yuǎn)離葉切面區(qū)域使用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格。計(jì)算域和葉切面附近局部網(wǎng)格如圖4所示。

圖4　計(jì)算域與局部放大網(wǎng)格Fig.4　The whole computational zone and local amplified grids

計(jì)算域入口采用速度邊界條件，來(lái)流速度為5 m/s，湍流強(qiáng)度和湍流長(zhǎng)度尺度通過(guò)下式得到：

式中：L為特征長(zhǎng)度；Re=1.14×106；L取為葉切面弦長(zhǎng)，故I≈2.8%，l≈0.016。

計(jì)算域出口和葉切面分別采用自由出流（Outflow）和無(wú)滑移壁面（No-slip wall）邊界條件，混合網(wǎng)格交界面采用interface邊界條件。

2　計(jì)算結(jié)果與討論

2.1網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)

在葉切面近壁區(qū)存在著較大速度梯度，需要合理地確定壁面附近第1層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的高度。一般使用 y+值來(lái)表征第1層節(jié)點(diǎn)高度，y+定義為

y+=（ρypuτ）/μ（7）式中：yp為第1層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的高度；uτ為摩擦速度，uτ=（τw/ρ）1/2，τw為壁面切應(yīng)力。

y+值的確定需要依據(jù)湍流模型和壁面處理方式來(lái)確定，在FLUENT中使用SST k-ω湍流模型時(shí)一般要求第1層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)需位于粘性底層內(nèi)且在邊界層內(nèi)布置15個(gè)以上的節(jié)點(diǎn)。為了合理確定 y+值，對(duì)Fouling_3 mm污損狀況設(shè)置了5種精度不同的網(wǎng)格，并分別在10°攻角下進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。當(dāng) y+減小到2之后，葉切面升阻比（CL/CD）的變化便很小，因此，選取 y+=2作為網(wǎng)格分辨率的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)。

圖5　網(wǎng)格獨(dú)立性檢驗(yàn)Fig.5　Grid dependence test

2.2升力與阻力

污損對(duì)NSRDC-NACA-66mod剖面的升力系數(shù)CL和阻力系數(shù)CD的影響如圖6和圖7所示，可知污損對(duì)剖面升阻力的影響較大。在5°攻角下相對(duì)于光滑狀態(tài)（Smooth），葉切面在1 mm污損狀況下CL降低了約15%，CD則增加了約83%；在6 mm污損狀況下CL降低了約30%，而CD則增加了近2.7倍；而且，污損對(duì)葉切面升阻力系數(shù)的影響隨著攻角增加而變大。隨著污損高度增加，污損對(duì)CL和CD的影響逐漸變大，然而Fouling_ 3 mm與Fouling_6 mm的升阻力系數(shù)比較相近，可以推測(cè)當(dāng)藤壺高度超過(guò)一定值后，藤壺繼續(xù)生長(zhǎng)對(duì)葉切面升阻力的影響變得較小。

圖6　在不同污損情況下升力系數(shù)隨攻角的變化Fig.6　Variation of the lift coefficient with respect to various attack angles under different fouling cases

2.3速度云圖

圖7　在不同污損情況下阻力系數(shù)隨攻角的變化Fig.7　Variation of the drag coefficient with respect to various attack angles under different fouling cases

各種污損狀況下葉切面的速度云圖如圖8所示，可知隨著污損高度的增加，葉切面上表面邊界層分離得更早，分離區(qū)域更大，使得上表面高流速區(qū)域變小且相應(yīng)的流速值也減小，導(dǎo)致上表面壓力大幅度增加，進(jìn)而導(dǎo)致升力顯著減小。

圖8　5°攻角下葉切面附近速度云圖分布Fig.8　Velocity contours at 5 degrees attack angles

2.4壁面壓力分布

5°攻角下各種污損狀況葉切面壓力系數(shù)分布如圖9所示，與光滑狀態(tài)相比，污損顯著改變了葉切面壓力分布，尤其是吸力面壓力分布。污損使得吸力面壓力分布不再均勻，出現(xiàn)壓力的跳躍點(diǎn)，這可能使得葉切面局部過(guò)早地出現(xiàn)空泡。在1 mm污損狀況下葉切面的壓力分布與光滑狀態(tài)較為相似，隨著污損高度增加，葉切面吸力面和壓力面的壓力均降低，其中3與6 mm污損比較相似，這也可以解釋兩者的升力系數(shù)相差較小的原因。

圖9　5°攻角下各種污損狀況葉切面壓力系數(shù)Cp分布Fig.9　Wall pressure coefficient distribution at 5 degrees attack angle under those fouling cases

3　結(jié)　語(yǔ)

本文對(duì)3種污損狀況下葉切面流場(chǎng)分布進(jìn)行了數(shù)值模擬，選取藤壺作為污損對(duì)象，并在幾何層面對(duì)藤壺進(jìn)行直接建模，避免了傳統(tǒng)的壁面函數(shù)法不能處理邊界層分離的弱點(diǎn)，可更加準(zhǔn)確地求解污損葉切面流場(chǎng)分布。計(jì)算結(jié)果表明：污損會(huì)顯著改變?nèi)~切面的速度分布和壓力分布，進(jìn)而對(duì)葉切面的升阻力造成嚴(yán)重不利影響，從而降低螺旋槳推進(jìn)效率；即使1 mm高度的污損也會(huì)導(dǎo)致葉切面升力系數(shù)降低約15%，阻力系數(shù)增加約83%。根據(jù)葉元體理論，葉切面升力降低以及阻力增加必然導(dǎo)致螺旋槳推進(jìn)性能惡化，因此，為了保持螺旋槳的設(shè)計(jì)性能，在船舶使用過(guò)程中應(yīng)對(duì)螺旋槳進(jìn)行高頻率的清洗和打磨，而且最好在藤壺生長(zhǎng)初期進(jìn)行清洗。

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Numerical simulation of the effects of biofouling on the hydrodynamic performance of propeller blade sections

ZHANG Tao，PENG Fei，MIN Shaosong
Department of Naval Architecture Engineering，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China

Generally，propeller surfaces are made from polished metal and have no antifouling provision，making them vulnerable to biofouling，yet the effects of such fouling on the performance of propellers are rarely studied.The present work simulates the flow field distribution around the fouled blade section by means of CFD.Barnacles are selected as the major subject from the fouling community and are directly modeled on a geometric level.The results show that the fouling causes earlier separation of the boundary layer and increases the separation region，which further leads to significant reduction of the lift-drag ratio （up to about 90%in maximum），and would thus result in remarkable decrease in the propulsive efficiency of propellers.However，when the height of barnacles exceeds a certain limit，their future growth yields limit?ed effects on the lift-drag ratio.

biofouling；blade sections；lift and drag；SST k-ω turbulence model

U664.33

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2016.03.006

2015-08-03網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-5-31 11:04

海軍工程大學(xué)自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（HGDQNJJ13038）

張濤（通信作者），男，1986年生，博士生。研究方向：艦船性能與保障。

E-mail：zthjgc@139.com