舵球裝置對螺旋槳/舵系統(tǒng)水動力性能影響的仿真研究

吳朋朋， 劉之嶺， 張育增,2, 高 雁， 陳革洲

(1.無錫德林船舶設備有限公司， 江蘇 無錫 214191; 2.沈陽理工大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110159)

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舵球裝置對螺旋槳/舵系統(tǒng)水動力性能影響的仿真研究

吳朋朋1， 劉之嶺1， 張育增1,2, 高 雁1， 陳革洲1

(1.無錫德林船舶設備有限公司， 江蘇 無錫 214191; 2.沈陽理工大學 機械工程學院, 遼寧 沈陽 110159)

基于計算流體動力學(CFD)理論和Fluent軟件，采用分區(qū)混合網格方案和運動參考系法(MRF)，結合RANS方程和RNG湍流模型計算螺旋槳與舵、舵球相互干擾的水動力性能。研究舵球直徑對螺旋槳、螺旋槳/舵系統(tǒng)水動力性能的影響。結果表明：舵球直徑與螺旋槳的直徑之比存在最佳匹配范圍，此時螺旋槳/舵系統(tǒng)的推力增加顯著，螺旋槳的轉矩系數(shù)基本不受影響，螺旋槳/舵系統(tǒng)的節(jié)能效果最大為2.413%，可為舵球的設計優(yōu)化提供參考。

舵球 CFD 螺旋槳 MRF 螺旋槳-舵系統(tǒng) 水動力性能

0 引言

隨著船舶能效設計指數(shù)(EEDI)的實行，船舶節(jié)能減排引起了各國科技界和實業(yè)界的密切關注，船舶節(jié)能設計已成為船舶設計開發(fā)階段的主要工作之一。船舶水動力節(jié)能裝置(如推力鰭、舵球、前置導管和轂帽鰭等)作為實現(xiàn)滿足船舶能效設計指標的技術手段已成為當前的研究熱點。舵球裝置作為典型的槳后節(jié)能裝置，通過填充槳轂后方的空間，能夠有效消除轂渦能量損失，提高螺旋槳的周向誘導效率，對螺旋槳的空泡和激振具有有利影響。同時，舵球裝置結構簡單，安裝方便，新舊船舶均可安裝使用，因而獲得了廣泛應用。

目前主要通過模型試驗[1-2]和數(shù)值計算[3-9]，從舵球尺度(舵球長度和舵球直徑)的角度研究舵球對螺旋槳水動力性能的影響。試驗方面，陳順懷等[1]在船模自航試驗中研究了兩種舵球尺寸的節(jié)能效果；裴為民和楊懷蜀[2]在空泡水筒中研究了舵球尺度和舵球/螺旋槳間距對螺旋槳敞水效率的影響。理論方面，馬騁等[5-6]建立了槳-舵-舵球的水動力計算系統(tǒng)，研究舵球流線型和舵球直徑對螺旋槳水動力性能的影響；李鑫[4]、何苗等[7]建立了舵/槳數(shù)學模型，討論了舵球尺度對螺旋槳水動力性能的影響。事實上舵球在消除轂渦能量損失，提高螺旋槳的周向誘導效率的同時自身的水動力亦隨其尺度的變化而變化，影響著螺旋槳/舵系統(tǒng)效率(即節(jié)能效果)的增加，從螺旋槳/舵系統(tǒng)的角度研究舵球的節(jié)能效果正逐漸被采用[4]。

以計算流體動力學理論(CFD)為基礎，建立帶有舵球的螺旋槳/舵系統(tǒng)的計算模型，在Fluent軟件中進行螺旋槳/舵系統(tǒng)的定常水動力性能計算，研究舵球直徑對螺旋槳/舵系統(tǒng)中的螺旋槳水動力性能和系統(tǒng)的水動力性能的影響。

1 數(shù)學模型及計算方法

1.1 控制方程

控制方程包括不可壓縮流體的連續(xù)性方程和雷諾平均方程(RANS)，形式如下。

1.2 湍流模型

湍流模型采用1986年Yakhot和Orszag用重整化群(Renormalization Group)方法導出的RNG k-ε雙方程模型，該模型的系數(shù)由理論精確計算而來，是區(qū)別于標準k-ε模型的主要不同之處。

RNG k-ε模型的湍動能k和其擴散率ε的輸運方程表達如下。

對于定常不可壓縮流體的湍流計算，采用SIMPLE算法進行壓力速度耦合求解，壓力項采用二階中心差分格式，其它項采用二階迎風格式進行離散。

2 數(shù)值模擬

2.1 三維模型的建立

研究采用MAU4-55螺旋槳，其參數(shù)見表1。舵葉采用NACA66剖面，厚度比為0.2，舵高260 mm，舵寬160 mm，舵桿中心線至舵前緣的距離是舵寬的0.4倍，修改剖面后緣，以增加舵葉強度；舵球剖面為流線形，在舵葉前緣的突出部為半球形。舵葉和舵球剖面如圖1所示。

表1 MAU4-55螺旋槳的幾何參數(shù)

圖1 舵葉和舵球剖面圖

在三維建模軟件中建立螺旋槳，舵和舵球的三維模型，如圖2所示。圖2中，舵的舵桿中心線到螺旋槳中心的距離是螺旋槳直徑的0.514倍。理論上，舵球與槳轂帽之間的距離越小越有利于螺旋槳水動力性能的提升[2]，本文在保證槳轂帽具有足夠拆卸空間的前提下，確定舵球末端到槳轂帽間的最短距離為螺旋槳直徑的0.012倍。

圖2 螺旋槳、舵和舵球三維模型

2.2 計算域設定

計算域分為big fluid，mid fluid和small fluid三個，如圖3所示。圖3中的big fluid和small fluid流域的尺寸設置與敞水螺旋槳流域的設置相同；mid fluid流域的直徑是螺旋槳直徑的1.6倍，在進口方向的圓柱端面至螺旋槳中心的距離是螺旋槳直徑的0.6倍，在出口方向的圓柱端面至螺旋槳中心的距離是螺旋槳直徑的1.6倍。

圖3 螺旋槳/舵的計算域

2.3 網格劃分

對流域采用分區(qū)網格劃分，適當降低big fluid流域進出口段的網格密度，適當加密mid fluid和small fluid流域的網格，這樣有利于控制總網格數(shù)和節(jié)點數(shù)，不僅可以提高計算精度，還能夠避免計算資源的浪費。

在ICEM CFD軟件中分別進行各流域的網格劃分，big fluid流域采用結構化網格，與螺旋槳和舵相關的mid fluid和small fluid流域采用非結構化網格，其中螺旋槳和舵表面網格尺寸分別為螺旋槳直徑和舵高的1%，最后進行各流域網格合并，圖4為螺旋槳/舵流域網格劃分情況。

圖4 螺旋槳/舵流域網格劃分示意圖

2.4 邊界條件設定

計算域的進出口設置為速度進口和水流出口。舵、舵球及螺旋槳表面和計算流域表面設為壁面，壁面設置為無滑移固定邊界。包裹著螺旋槳的small fluid流域的流體采用為運動參考系模型(即MRF模型)，設置為繞軸線以1 200 r/min的轉速旋轉，在數(shù)值模擬時保持轉速不變，通過調整來流速度來改變螺旋槳的進速比。各流域間的重疊面分別設為交界面(interface)，保證各流域間的信息交換。

3 結果分析

螺旋槳的特征參數(shù)：

式中：J表示螺旋槳的進速比；V為來流速度；D為螺旋槳直徑；n為螺旋槳轉速；KT表示螺旋槳的推力系數(shù)；T為螺旋槳推力；ρ為流體密度；KQ表示螺旋槳的轉矩系數(shù)；Q為螺旋槳轉矩；η表示螺旋槳的效率。對于與舵和舵球組合的螺旋槳-舵-舵球系統(tǒng)，其推進效率KT′和η′效率的表達形式如下。

式中：TR和TB分別是指舵和舵球在螺旋槳軸線方向產生的水動力。

在研究舵球直徑對螺旋槳/舵系統(tǒng)水動力性能影響之前，進行了無舵球的螺旋槳/舵系統(tǒng)的定常仿真計算，分別獲取了螺旋槳和系統(tǒng)的水動力參數(shù)，為研究舵球直徑對螺旋槳/舵系統(tǒng)水動力性能的影響提供對比數(shù)據。由于舵球直徑與轂渦區(qū)大小存在匹配問題，影響舵球消除轂渦紊流，提高螺旋槳周向誘導效率的作用效果。為研究舵球直徑對螺旋槳/舵系統(tǒng)水動力性能的影響，進行了不同舵球直徑d，不同進速比J的螺旋槳/舵系統(tǒng)定常仿真計算。計算采用的舵球直徑d和螺旋槳直徑D的比值(d/D)分別為：0.144，0.162，0.18，0.198和0.216。

3.1 舵球直徑對螺旋槳水動力性能的影響

圖5～圖7分別為不同舵球直徑時螺旋槳的推力系數(shù)(KT)，轉矩系數(shù)(KQ)和效率(η)的變化情況。其中，ΔKT，ΔKQ和Δη分別為有舵球的螺旋槳/舵系統(tǒng)和無舵球的螺旋槳/舵系統(tǒng)的螺旋槳推力系數(shù)、轉矩系數(shù)和效率的相對變化情況。

圖5 螺旋槳推力系數(shù)的變化情況

圖6 螺旋槳轉矩系數(shù)的變化情況

圖7 螺旋槳效率的變化情況

圖8 槳/舵系統(tǒng)推力系數(shù)的變化情況

圖9 槳/舵系統(tǒng)效率的變化情況

從圖5～圖7可以看出：在相同進速比時，隨著舵球直徑的增大，螺旋槳的推力系數(shù)、轉矩系數(shù)和效率基本呈先增加后減小的趨勢。在J=0.8，d/D為0.198時，螺旋槳的推力系數(shù)、轉矩系數(shù)和效率的增加存在峰值，分別為3.05%，0.692%和2.34%。舵球直徑的大小對螺旋槳轉矩系數(shù)的影響較小，螺旋槳轉矩系數(shù)的變化小于0.692%。

3.2 舵球直徑對螺旋槳/舵系統(tǒng)水動力性能的影響

圖8和圖9為螺旋槳/舵系統(tǒng)的推力系數(shù)(KT′)和效率(η′)的變化情況。其中，ΔKT′和Δη′分別為有舵球的螺旋槳/舵系統(tǒng)和無舵球的螺旋槳/舵系統(tǒng)的系統(tǒng)推力系數(shù)和系統(tǒng)效率的相對變化情況。

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從計算結果來看，在進速比J為0.4～0.5時，螺旋槳/舵系統(tǒng)的推力系數(shù)和效率的增加處于峰值，與螺旋槳的推力系數(shù)和效率變化情況相比，此時的進速比降低。采用d/D介于0.162～0.198的舵球有利于螺旋槳/舵系統(tǒng)推力和效率的提升，當d/D為0.162時的螺旋槳/舵系統(tǒng)的推力增加了2.394%，當d/D為0.18時的螺旋槳/舵系統(tǒng)節(jié)能效果最大為2.413%。

通過上述分析，可以發(fā)現(xiàn)：在螺旋槳/舵系統(tǒng)中，舵球直徑對螺旋槳的推力和效率增加明顯，并隨進速比的增加而增大，舵球直徑與螺旋槳直徑之比的最佳匹配值為0.198；但從螺旋槳/舵系統(tǒng)的角度來看，舵球直徑與螺旋槳直徑之比的最佳范圍為0.162～0.198之間，最大節(jié)能2.413%，但此時的進速比J介于0.4～0.5之間，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，舵球的阻力隨進速比J的增加而增大，減小了螺旋槳/舵系統(tǒng)的推力，從而降低了螺旋槳/舵系統(tǒng)的節(jié)能效果。

4 結論

本文應用數(shù)值仿真方法計算螺旋槳/舵系統(tǒng)的水動力性能，對影響螺旋槳、螺旋槳/舵系統(tǒng)水動力性能的舵球直徑進行變尺度研究，分別分析螺旋槳、螺旋槳/舵系統(tǒng)水動力性能的變化特性，為舵球設計時的參數(shù)選取提供技術支撐。通過系統(tǒng)的仿真分析，得出如下結論：舵球直徑對螺旋槳轉矩系數(shù)影響較小，舵球直徑與螺旋槳直徑之比的最佳范圍為0.162～0.198，此時螺旋槳/舵系統(tǒng)的推力系數(shù)最大增加2.394%，可起到最大2.413%的節(jié)能效果。

[1] 陳順懷，陳雷強，馬雷，等. 附體節(jié)能技術試驗研究[J].中國造船,2014,55(1):28-37.

[2] 裴為民,楊懷蜀.舵球對螺旋槳水動力性能的影響[J].交通部上海船舶運輸科學研究所學報,1994,17(1): 9-10.

[3] Hassan Ghassemi, Parviz Ghadimi. Computational Hydrodynamic Analysis of the Propeller-rudder and the AZIPOD Systems[J]. Ocean Engineering, 2008(35):123-125.

[4] 李鑫.槳后節(jié)能舵球的水動力性能分析[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2009.

[5] 馬騁,錢正芳.螺旋槳-舵-舵球推進組合體水動力性能的計算與仿真研究[J].船舶力學,2005,9(5):42-43.

[6] 馬騁.船舶不對稱扭曲型舵球技術[M].武漢：華中科技大學出版社，2006.

[7] 何苗,王超,郭春雨,等.舵球幾何參數(shù)對螺旋槳水動力性能的影響[J].武漢理工大學學報,2011,33(7):68-72.

[8] 謝永和.拖網漁船水動力節(jié)能技術研究[C]//第二十五屆全國水動力學研討會暨第十二屆全國水動力學學術會議論文集，2013:14-20.

[9] 胡文婷.帶有舵球式推力鰭的船用舵水動力性能研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學,2007.

Simulation Study on Effect on Rudder Ball Device for Propeller/Rudder System Hydrodynamic Performance

WU Peng-peng1, LIU Zhi-ling1, ZHANG Yu-zeng1,2, GAO Yan1， CHEN Ge-zhou1

(1.Wuxi Delin Marine Equipment Co., Ltd., Wuxi Jiangsu 214191， China; 2.School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159， China)

Based on Computational Fluid Dynamics(CFD) theory and Fluent software, the subdomains hybrid meshes method and the moving reference frame(MRF) were adopted to calculation the interaction hydrodynamic performance of propeller, rudder and rudder ball by using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) equation and RNG turbulence models. The diameter of rudder ball was changed, and the calculation results of the hydrodynamic performance for propeller /rudder system show that there is an optimal matching range between rudder device and propeller device, and the maximum energy saving of propeller/rudder system is 2.413%, technical support for rudder ball design was provided.

Rudder ball Computational Fluid Dynamics (CFD) Propeller Moving Reference Frame (MRF) Propeller-rudder system Hydrodynamic performance

吳朋朋(1983-)，男，工程師，主要從事船舶流體力學、機械設計方面的工作。

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