噴水推進(jìn)器流道對船舶阻力性能的影響

錢浩，宋科委，郭春雨，龔杰

1中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海200011

2哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

噴水推進(jìn)器流道對船舶阻力性能的影響

錢浩1，宋科委2，郭春雨2，龔杰2

1中國船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，上海200011

2哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001

［目的］噴水推進(jìn)船舶的阻力性能與常規(guī)船舶有著很大的不同，噴水推進(jìn)器流道的存在會改變船舶尾部流場，對船舶阻力性能有著很大的影響。［方法］以FA1型三體船為計(jì)算模型，利用CFD軟件STAR-CCM+，將噴水推進(jìn)器流道看作附體，對比研究安裝不同進(jìn)流角噴水推進(jìn)器流道前后船舶尾部流場變化。通過對比流道表面壓力分布、船體流線的變化，闡述船舶阻力以及阻力成分產(chǎn)生變化的機(jī)理。［結(jié)果］結(jié)果表明：STAR-CCM+可以實(shí)現(xiàn)對于船舶阻力性能的預(yù)報(bào)；噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道的安裝會增大船舶阻力，主要為壓差阻力的增大。［結(jié)論］對進(jìn)水流道傾角的優(yōu)化可以增進(jìn)噴水推進(jìn)船舶的阻力性能。

噴水推進(jìn)器；船舶阻力；數(shù)值模擬；流道

0 引 言

噴水推進(jìn)作為一種特殊的推進(jìn)方式，它是利用從泵中噴出高速水流的反作用力來推動船舶前進(jìn)［1］。噴水推進(jìn)和傳統(tǒng)的螺旋槳推進(jìn)相比具有更多的優(yōu)勢，如推進(jìn)效率高、水下噪聲小、適應(yīng)工況能力強(qiáng)［2］及高速時(shí)空泡性能好［3］等。

國外對噴水推進(jìn)器的研究開始得比較早。近年來，CFD技術(shù)已逐漸成為一種強(qiáng)大的研究工具。一方面，其在研究復(fù)雜泵內(nèi)部流動中取得了很好的效果，例如，日本國家海事技術(shù)研究所、美國的泰勒水池以及愛爾華大學(xué)等機(jī)構(gòu)都在用CFD技術(shù)對“船+泵”整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行粘性流場模擬分析［4］，代夫特工業(yè)大學(xué)的Van Terwisga［5］也在研究噴水推進(jìn)器與船體之間的相互作用。另一方面，利用CFD軟件來實(shí)現(xiàn)對船舶阻力性能的預(yù)報(bào)也是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)。Brizzolara等［6］利用CFD軟件取得了對不同類型三體船阻力性能的預(yù)報(bào)，并對三體船的一些結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行了研究。Carr［7］分析研究了三體船主體、片體之間相互的興波干擾及其產(chǎn)生的原因，利用CFD數(shù)值模擬對他們之間的相對位置進(jìn)行了合理優(yōu)化。Mizine等［8］通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)與CFD計(jì)算結(jié)果的結(jié)合，比較了三體船尾部流場的變化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了對三體船片體布局的優(yōu)化。

國內(nèi)對于噴水推進(jìn)器的研究始于上世紀(jì)70年代。高雙［9］、葛宜龍［10］和于大偉［11］分別對噴水推進(jìn)技術(shù)進(jìn)行了不同方面的研究。于大偉［11］通過CFD數(shù)值模擬研究了船體尾部形狀、流道參數(shù)以及噴水推進(jìn)器對三體船性能的影響。丁江明等［12］利用計(jì)算流體力學(xué)對噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道的設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。劉承江等［13］研究了流場控制體大小對噴水推進(jìn)器性能預(yù)報(bào)的影響。毛筱菲等［14］利用CFD軟件FLUENT研究了邊界層對噴水推進(jìn)器進(jìn)水管內(nèi)流場的影響，為進(jìn)水管道的設(shè)計(jì)提供了參考依據(jù)。

噴水推進(jìn)器產(chǎn)生摩擦阻力的主要部分為進(jìn)水流道，對船體的阻力性能影響很大。國內(nèi)對噴水推進(jìn)器進(jìn)水流道的研究不多且研究方法較為單一，因此，本文從另一角度來研究進(jìn)水流道對船舶阻力性能的影響。本文將噴水推進(jìn)器流道看成一個(gè)附體來處理，對比噴水推進(jìn)器流道安裝前后船舶阻力的變化，通過對比船舶尾部壓力分布、船體流線的變化來闡述船舶阻力以及阻力成分變化的機(jī)理，以便為噴水推進(jìn)器流道對船舶阻力性能影響的研究提供新的思路以及參考依據(jù)。

1 CFD數(shù)值模擬

1.1 計(jì)算模型的建立

本文使用CATIA軟件進(jìn)行建模，將FA1型三體船進(jìn)行一些布置上的優(yōu)化，得到所使用的計(jì)算模型，計(jì)算模型的基本參數(shù)如表1所示。

文中選取了3種不同傾角（25°，30°和40°）的進(jìn)水流道，一是為了避免試驗(yàn)單一性造成的誤差，二是對噴水推進(jìn)器的流道進(jìn)行優(yōu)化。

計(jì)算模型和噴水推進(jìn)器流道模型分別如圖1和圖2所示。

關(guān)于計(jì)算域的選取，文中選取的是半船的計(jì)算域，查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料［15］，計(jì)算域具體設(shè)定為：

1）船前方取1倍船長；

2）船后方取2倍船長；

3）水線面上方取0.5倍船長；

4）水線面下方取1倍船長；

5）船寬方向取1.5倍船長。

計(jì)算域模型如圖3所示。

1.2 網(wǎng)格的劃分

網(wǎng)格的劃分是整個(gè)數(shù)值模擬過程中很重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，該過程有很多工作要做，也是最耗時(shí)的部分。網(wǎng)格的數(shù)量以及網(wǎng)格質(zhì)量會對計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生很重要的影響，所以在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)網(wǎng)格既不能劃分得過密，也不能劃分得過疏。如果網(wǎng)格過密，一來會增加計(jì)算耗時(shí)，二來計(jì)算的準(zhǔn)確性也不會有明顯的提高，有時(shí)反而會適得其反。而若網(wǎng)格過疏，計(jì)算結(jié)果的精度程度往往達(dá)不到要求。

船舶艏艉的曲率變化很大，必須對其進(jìn)行單獨(dú)加密，以保證網(wǎng)格質(zhì)量。同時(shí)，開爾文波系對研究船舶的興波阻力非常重要，所以對靠近船體的區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密（圖4）。文中，加密網(wǎng)格一般分為3個(gè)過渡層逐步進(jìn)行，以保證網(wǎng)格質(zhì)量。

劃分網(wǎng)格之前，首先須計(jì)算邊界層厚度δ的，邊界層厚度直接關(guān)系到近壁面網(wǎng)格的劃分情況，對最終計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性影響很大。

式中：x為距船艏的距離；L為船長；δ為邊界層厚度；Re為雷諾數(shù)；Rex，ReL，Reδ為相應(yīng)的雷諾數(shù)。

對于船舶這種“鈍體“來說，Rex的邊界層并不是在駐點(diǎn)處從零算起的。所以為了安全起見，一般將Reδ設(shè)定為ReL的20%～25%，本文設(shè)定為20%。得到邊界層厚度的經(jīng)驗(yàn)公式為

毛筱菲等［14］認(rèn)為進(jìn)流口的邊界層對進(jìn)水流道的性能有一定影響，參考其得出的結(jié)論，對邊界層網(wǎng)格進(jìn)行劃分，邊界層數(shù)設(shè)定為7層。

1.3 物理模型的選取

現(xiàn)今對于自由液面的模擬包括標(biāo)記與單元法（Marker and Cell，MAC）和流體體積法（Volume of Fluid，VOF）法，其中MAC法相比于VOF法有許多劣勢，例如，其計(jì)算量非常大，在一些情況下容易失真。VOF法是目前使用最為普遍的一種方法，主要源于Hirt以及Nichols的想法，并帶起了國際上的研究熱潮。

VOF法用于研究兩種或多種不相容介質(zhì)的交界面，所有介質(zhì)體積分?jǐn)?shù)相加為1。VOF法通過網(wǎng)絡(luò)體積比函數(shù) f來實(shí)現(xiàn)，f值的大小表示流體的占有比例。本文研究的是空氣和水2種流體介質(zhì)，指定的流體相為空氣。

除了選取的流體域體積函數(shù)法（VOF法）之外，湍流模型選取為k-ε模型，可選模型之中選擇的為重力模型、單元質(zhì)量校正和VOF波。

1.4 邊界條件的設(shè)定

邊界條件一般被分為2種：第1種為滲透性邊界，例如速度入口，在這些邊界處可以發(fā)生進(jìn)來流等物質(zhì)交換；第2種就是像固壁面這種非滲透性邊界，相應(yīng)地，這些邊界處不能發(fā)生物質(zhì)交換。進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算時(shí)，一般將邊界條件劃分為以下幾種：進(jìn)口邊界、出口邊界、對稱面邊界以及固壁面邊界。

本文在設(shè)定邊界條件時(shí)，只是將船體及其附體設(shè)為壁面邊界，并沒有將計(jì)算域的邊界設(shè)為壁面，這樣一來就可以更加真實(shí)地模擬出船舶在實(shí)際航行中寬廣的水域，計(jì)算結(jié)果也會更加準(zhǔn)確。

最終，計(jì)算域邊界條件類型設(shè)定如下：進(jìn)口類型為速度進(jìn)口，出口類型為壓力出口，船中剖面為對稱面，船體以及流道設(shè)定為無滑移壁面。

計(jì)算域邊界條件的具體設(shè)定如圖3所示。

2 裸船體阻力性能預(yù)報(bào)

2.1 阻力值與試驗(yàn)值對比分析

由表2和圖5顯示：當(dāng)船舶航速較低時(shí)，裸船體阻力計(jì)算值與試驗(yàn)值的差值較小，試驗(yàn)值與計(jì)算值吻合較好。當(dāng)傅汝德數(shù)Fr=0.103時(shí)，兩者的差值為3.446%；當(dāng)傅汝德數(shù)Fr在0.103～0.441之間時(shí)，兩者的差值維持在5%左右，達(dá)到了很好的計(jì)算精度。

但是隨著航速的增加，兩者的差值也隨之增大，當(dāng)傅汝德數(shù) Fr=0.485時(shí)，差值達(dá)到了9.207%。這主要是由于模擬計(jì)算過程與試驗(yàn)中物理環(huán)境的些許差別造成的，船模在進(jìn)行高速試驗(yàn)時(shí)有可能產(chǎn)生縱傾和深沉，船舶的縱傾或者升沉?xí)Υ白枇Ξa(chǎn)生很大的影響。并且隨著航速的增加，阻力值增速變大，航速對阻力值的影響很大。

2.2 不同航速下阻力成分的對比

本文將船體阻力分為剪切阻力與壓差阻力來進(jìn)行研究，其中剪切阻力為剪切應(yīng)力的合力，即摩擦阻力；壓差阻力為粘壓阻力與興波阻力之和。

從表3和圖6可以看出：船舶在航速較低時(shí)，剪切阻力，也就是摩擦阻力占船舶總阻力的比值較大。當(dāng)傅汝德數(shù)Fr=0.103時(shí)，剪切阻力約占總阻力的2/3，而隨著航速的增大，剪切阻力與壓差阻力逐漸趨于相等。這主要是由于隨著航速的增加，船舶的興波阻力逐漸增大，其占總阻力的成分也隨之增大。

3 噴水推進(jìn)器流道對船舶阻力性能的影響

3.1 流線結(jié)果對比分析

圖7和圖8分別為傅汝德數(shù)Fr=0.103和0.485時(shí)的流線結(jié)果對比圖。圖中顯示：噴水推進(jìn)器流道的安裝會改變水流的運(yùn)動軌跡，水流在進(jìn)水流道內(nèi)會改變原先的流動方向，甚至還會形成漩渦以及回流。漩渦以及回流的產(chǎn)生會降低水流的動能，也就會增加船舶航行時(shí)的阻力。通過對比安裝不同進(jìn)流角流道船體的流線圖，發(fā)現(xiàn)隨著流道傾角的增大，進(jìn)水流道內(nèi)流體的方向改變越來越大。圖中顯示：當(dāng)流道傾角為40°時(shí)，噴水推進(jìn)器內(nèi)部還會有回流產(chǎn)生，這對船舶的阻力性能很不利。

3.2 流道結(jié)果表面壓力對比分析

圖9和圖10分別為Fr=0.294和0.485時(shí)的流道表面壓力對比圖。圖中顯示：無論是當(dāng)傅汝德數(shù)Fr=0.294時(shí)還是Fr=0.485時(shí)，噴水推進(jìn)器流道的表面壓力分布都不均，其進(jìn)水口與下壁面交界處壓力最大，速度也最低。而在下壁面拐點(diǎn)處，壓力最低，速度最大，所以此處容易產(chǎn)生漩渦或者回流。

對比不同航速下推進(jìn)器表面壓力的分布，發(fā)現(xiàn)壓力差會隨航速的變大而增大。對比同一航速下推進(jìn)器表面壓力的分布，發(fā)現(xiàn)隨著流道傾角的增大，下壁面拐點(diǎn)處的壓力值逐漸減小，而進(jìn)水口與下壁面交界處的壓力則隨之變大，故其產(chǎn)生漩渦或者回流的可能性也就越大，不利于船舶的阻力性能。

3.3 船體阻力值對比分析

表4所示為船舶在不同工況下的總阻力以及各阻力成分值，圖11所示為阻力以及阻力的增加情況。

從圖中可以看出：

1）安裝噴水推進(jìn)器流道之后，船舶的總阻力值增大了。當(dāng)船舶航速較低時(shí)，噴水推進(jìn)船舶的阻力增值不大，當(dāng)傅汝德數(shù)Fr=0.103～0.294時(shí)，阻力的增加值在4%～5%之間；當(dāng)船舶高速行駛、傅汝德數(shù)Fr=0.485時(shí)，和裸船體相比，噴水推進(jìn)船舶的阻力值增大了10%～12%。

2）對比安裝不同流道傾角噴水推進(jìn)器流道的船舶總阻力值發(fā)現(xiàn)：低速時(shí)，阻力值差別不大，但隨著航速的提高，流道傾角為25°時(shí)的阻力值相對較小，即噴水推進(jìn)器流道對船舶阻力的影響最小。安裝噴水推進(jìn)器流道之后的船體阻力值均發(fā)生了改變，并且具有相同的趨勢。

3）安裝噴水推進(jìn)器流道之后，船體的剪切阻力變化不明顯。隨著航速的增加，船舶剪切阻力增值百分比變化不大，維持在0.5%～2%左右。這主要是由于進(jìn)水流道的面積與船體表面面積相差較大，而在安裝了噴水推進(jìn)器流道之后，船舶濕表面積增大了0.9%左右。剪切阻力變化較壓差阻力小。

4）噴水推進(jìn)器流道的安裝對船舶的壓差阻力影響較大。當(dāng)船舶航速較低時(shí)，壓差阻力的增值相對不大，維持在10%左右；隨著航速的增加，安裝噴水推進(jìn)器流道之后船舶的壓差阻力值較裸船體增值較大，當(dāng)Fr=0.485時(shí)，安裝傾角為40°噴水推進(jìn)器流道的船體阻力增加了25%。這主要是因?yàn)閲娝七M(jìn)器流道的安裝會影響船舶尾部的流場，增大船舶首尾的壓力差，進(jìn)而使船體的壓差阻力變大。

通過對比3種不同情況下的壓差阻力，發(fā)現(xiàn)當(dāng)流道傾角為25°時(shí)壓差阻力值最小，這和總阻力的變化情況相同。

4 結(jié) 論

本文應(yīng)用STAR-CCM+軟件對改進(jìn)后的FA1型三體船進(jìn)行數(shù)值模擬，對比安裝不同進(jìn)流角噴水推進(jìn)器流道之后船舶尾部流場的變化，并通過對比船體流線以及流道壓力分布的變化，闡述了阻力以及阻力成分變化的機(jī)理，得到以下結(jié)論：

1）STAR-CCM+可以實(shí)現(xiàn)對船舶阻力性能的預(yù)報(bào)，并逐步成為噴水推進(jìn)船舶阻力性能預(yù)報(bào)的發(fā)展方向。通過裸船體阻力計(jì)算值與試驗(yàn)值的對比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)傅汝德數(shù)Fr=0.103～0.441時(shí)，兩者的差值維持在5%左右，達(dá)到了很好的計(jì)算精度。

2）噴水推進(jìn)器流道的安裝會增加船舶阻力，其中主要是壓差阻力增大。對比裸船體與安裝噴水推進(jìn)器流道之后船體的阻力值發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Fr= 0.485時(shí)，船體總阻力增加了11.1%，剪切阻力與壓差阻力分別增加了1.5%和22%，說明阻力的變化主要是因?yàn)閴翰钭枇υ龃蠖斐傻摹?/p>

3）對流道傾角的優(yōu)化可以提高噴水推進(jìn)船舶的阻力性能。在一定范圍內(nèi)，流道傾角的增加會增大船舶阻力，當(dāng)Fr=0.485時(shí)，流道傾角為40°時(shí)的總阻力值比25°時(shí)增加了2.03%。

本文從附體的角度研究了噴水推進(jìn)器流道對船舶阻力性能的影響，這種研究角度以及所得出的結(jié)論具有一定的參考價(jià)值。通過模擬噴水推進(jìn)器真實(shí)的工作狀況來研究流道的阻力情況，是另外一個(gè)研究角度，也是本文接下來工作的重點(diǎn)內(nèi)容。希望通過對比兩種研究角度的不同之處，得出更有價(jià)值的研究成果。

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Influence of waterjet duct on ship's resistance performance

QIAN Hao1，SONG Kewei2，GUO Chunyu2，GONG Jie2
1 Marine Design and Research Institute of China，Shanghai 200011，China
2 School of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

The waterjet duct can change the flow field of the stern,and it has a great influence on the resistance performance of the ship.The resistance performance of marine vehicles driven by waterjets is very different from that of conventional ships,so it is meaningful to study the changes to the resistance performance of the ship.We used the CFD software STAR-CCM+,treated the waterjet duct as the appendage and compared the change of the flow field in the stern after the installation of the waterjet duct at different angles.We described the change mechanism of the ship's resistance and resistance components by comparing the change in pressure distribution of the waterjet duct's surface and the flow field around the hull.The results show that STAR-CCM+can realize the prediction of ship resistance performance because the simulation results achieved perfect accuracy,and it is gradually becoming the development direction of the resistance performance prediction of marine vehicles driven by waterjets.The installation of the waterjet duct will increase the resistance of the ship,which is mainly due to the increase of pressure resistance.In addition,the resistance performance of a ship driven by waterjets can be improved by the optimization of the waterjet duct's angle.

waterjets；ship resistance；numerical simulation；duct

U661.31+1

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.003

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1615.032.html

錢浩，宋科委，郭春雨，等.噴水推進(jìn)器流道對船舶阻力性能的影響［J］.中國艦船研究，2017，12（2）：22-29.

QIAN H，SONG K W，GUO C Y，et al.Influence of waterjet duct on ship's resistance performance［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：22-29.

2016-07-04 < class="emphasis_bold"> 網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：

時(shí)間：2017-3-13 16:15

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51209048，41176074，51409063）；工信部高技術(shù)船舶科研資助項(xiàng)目（G014613002）；哈爾濱工程大學(xué)青年骨干教師支持計(jì)劃資助項(xiàng)目（HEUCFQ1408）

錢浩，男，1980年生，高級工程師。研究方向：艦船總體研究與設(shè)計(jì)。

E-mail：qianhao1125@126.com

宋科委（通信作者），男，1991年生，碩士生。研究方向：噴水推進(jìn)器。

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