船舶運動狀態(tài)下舵附推力鰭水動力性能分析

王文全王詩洋張?zhí)焯?/p>

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.大連職業(yè)技術學院 大連116035）

船舶運動狀態(tài)下舵附推力鰭水動力性能分析

王文全1王詩洋1張?zhí)焯?

（1.中國船舶及海洋工程設計研究院 上海200011；2.大連職業(yè)技術學院 大連116035）

采用基于RANSE的數值波浪水池技術和數值拖曳水池技術，針對75 000 t船模型開展帶有縱搖和橫搖運動的自航CFD模擬研究。首先進行靜水中的船模阻力和自航CFD模擬，通過與模型試驗結果比較，初步驗證了文中的CFD模擬方法；隨后開展不同運動狀態(tài)下是否帶有舵附推力鰭的船模自航CFD模擬，并對該種狀態(tài)下的船模阻力、運動響應以及船后螺旋槳的推力和扭矩等進行分析，獲得相關變化特性。該項研究對于運動中船舶快速性研究和預報等，具有較好的指導意義和參考價值。

舵附推力鰭；縱搖；橫搖；自航

引 言

進入21世紀，能源問題已引起世界各國的高度重視，成為世界范圍內的焦點問題之一，而節(jié)能減排儼然被視作經濟發(fā)展中的一項緊迫任務。因此，研究船舶推進節(jié)能技術對于降低船舶能源消耗、節(jié)約船舶運輸企業(yè)的燃油消耗費用，以及降低船舶對海洋環(huán)境的污染都具有重大的意義。

以往許多學者和研究人員對舵附推力鰭的節(jié)能效果分析均關注船舶在靜水中的節(jié)能效果，而在進行數值計算時并未考慮船體在波浪中航行時的六個自由度的運動。靜水工況的數值計算結果并不能反映實際船舶在海面航行時舵附推力鰭的節(jié)能效果［1-2］。

目前已發(fā)表的有關波浪中自航CFD模擬方面的文獻主要來自于美國IOWA大學的Stern團隊。Carrica等人開展了靜水中帶自由升沉、縱傾KCS船模自航以及頂浪中船模運動響應的CFD模擬［3］，計算分析了模型自航點下的船模升沉量、縱傾角和螺旋槳轉速，以及規(guī)則波頂浪中船模的阻力和運動響應。

本文主要工作內容包括船-槳-舵系統(tǒng)在靜水、迎浪和橫浪狀態(tài)下的水動力數值預報、計算，以及船-槳-舵-舵附推力鰭系統(tǒng)在靜水及不同運動狀態(tài)下的節(jié)能效果數值預報，這些問題均考慮流體的粘性及自由液面產生的影響［4］。文中，我們建立船體、槳、舵-舵附推力鰭系統(tǒng)模型，導入STAR CCM+軟件中進行網格劃分和數值計算，對船-槳-舵和船-槳-舵-舵附推力鰭系統(tǒng)進行計及自由液面的阻力、螺旋槳推力和螺旋槳轉矩的數值計算；然后設置船體強迫縱搖與橫搖模擬不同波浪參數，對船-槳-舵系統(tǒng)和船-槳-舵-舵附推力鰭系統(tǒng)進行不同運動狀態(tài)下的阻力、螺旋槳推力和螺旋槳轉矩的數值計算，對比其在靜水中和不同運動狀態(tài)下的推進節(jié)能效果，并加以分析。

1 數學模型

1.1 湍流模型

湍流模型可分為空間平均模型和時間平均模型?？臻g平均模型即大渦模擬，時間平均模型分為湍流粘性模型和應力模型。其中應力模型即雷諾應力模型（RSM），湍流粘性模型又分為線性湍流模型和非線性湍流模型［5］?？紤]到船尾部槳后旋轉尾流，本文采用雷諾應力方程湍流模型。

雷諾應力輸運方程在直角坐標系下的表達式為：

該方程從左到右依次為：對流項、湍流擴散項、分子粘性擴散項、剪應力產生項、浮力產生項、壓力應變項、粘性耗散項、系統(tǒng)旋轉產生項。

雷諾應力方程模型可直接使用輸運方程求解出雷諾應力，從而避免其他模型的粘性假設?？梢?，雷諾應力方程模型模擬強旋流較其他模型有明顯優(yōu)勢［6］。

1.2 VOF方法

VOF方法是一種以計算流體占據網格單元體積份額的途徑來捕捉自由液面的方法，由Hirt和Nichols［7］于20世紀80年代初提出?？刂企w中含有水和空氣，空氣的體積分數是αa，水的體積分數是αw，那么水的體積分數輸運方程為：

控制體中只充滿水和空氣這兩種物質，所以水和空氣的體積分數之和為1，即

采用VOF方法計算自由液面所需計算機的存儲量小，有利于三維自由液面問題的模擬分析。其不足之處是不易獲得準確的自由液面高度位置。

1.3 重疊網格方法

重疊網格方法（Overset grid）的最終目標是建立各重疊網格間的耦合關系，為各區(qū)域流場計算提供邊界信息的傳遞服務。

如圖1所示，網格1 落入網格2物面內的點被標記為洞內點而不參與流場的計算。網格1中與洞點相鄰的點為洞邊界點（圖1中的方點），這些點通過插值接受網格2傳遞的流場信息。網格2的外邊界點（圖1中的圓點）也通過插值相應地接受網格1傳遞的流場信息， 任意變量f由相應的六面體貢獻單元采用Trilinear 方法插值獲得。網格1的洞邊界點和網格2的外邊界插值點之間的區(qū)域為重疊區(qū)域。

圖1 重疊網格示意圖

重疊網格將計算流域分成幾個子域，各個子域的網格獨立生成，并通過各域網格之間的嵌套、重疊等關系進行信息的傳遞，在重疊網格邊界區(qū)域流場的信息通過插值進行耦合。重疊網格的生成主要包括兩個方面：一方面，對背景域網格進行“挖洞”操作，即屏蔽洞面內部的區(qū)域，將洞面內網格進行標記并在CFD計算中予以舍棄；另一方面，洞邊界之間的信息傳遞通過插值進行數值計算，即“尋點”問題。

2 計算模型的建立及網格劃分

2.1 幾何模型的建立

本文計算所選用的是75 000 t散貨船，計算船模基本參數如表1所示。計算中使用的螺旋槳為自行設計的不等螺距螺旋槳（PBC1），螺旋槳模型的幾何要素見表2。文中，舵附推力鰭的葉剖面類型為Clark-Y翼型，展長0.065 m、安裝角度4°、弦長0.01 m，具體參數見表3。

表1 船?；緟?/p>

表2 原型槳（PBC1）的主要幾何參數

表3 Clark-Y翼型型值表%

計算所用的船-槳-舵系統(tǒng)模型見圖2。

圖2 船-槳-舵系統(tǒng)模型

2.2 計算流域及網格的劃分

本文采用重疊網格技術，將船體包含在一個小域中，然后再建立一個適當的背景域，將小域的邊界與背景域的交界面生成Interface。該Interface邊界條件類型設置成Overset Mesh Interface，使包含船體的小域按照設定的規(guī)則運動，同時在Interface的兩個邊界面上實現非定常流場的數值傳遞。計算船模自航時，還要在槳軸后給內外螺旋槳分別創(chuàng)建一個圓柱形小域。小域與槳轂同軸，其直徑為螺旋槳直徑的1.2倍，通過滑移網格方法模擬螺旋槳旋轉運動。流體域、船體螺旋槳和開爾文波形區(qū)域具體如圖3所示。

圖3 網格劃分

3 靜水中的船-槳-舵系統(tǒng)水動力分析

3.1 靜水中的裸船體阻力預報

分別計算船模在V=1.057 m/s、V=1.098 m/s、V=1.139 m/s，V=1.179 m/s、V=1.220 m/s、V=1.261 m/s、V=1.301 m/s以及V=1.342 m/s這八個速度下的阻力值，并同試驗值進行對比分析。

表4為計算結果與試驗值的比較?？梢姡w阻力計算值與試驗結果吻合較好， 最大相對偏差為2.6%，這說明本文所用方法可靠性佳。

表4 裸船體阻力值同試驗值對比

3.2 靜水中的船-槳-舵系統(tǒng)水動力分析

3.2.1 船槳舵系統(tǒng)水動力性能驗證

以JBC（Japan Bulk Carrier）船模為計算對象，其中JBC船模被選為2015東京船舶水動力CFD Workshop（Tokyo 2015-A Workshop on CFD in Ship Hydrodynamics）的計算標模之一，其幾何外形如圖4所示。船模長7 m，螺旋槳模型直徑0.203 m（實槳直徑8.12 m）。AU型槳葉剖面的五葉槳幾何外形如圖5所示，主尺度參數見參考文獻［8］。

圖4 JBC船模外形

圖5 螺旋槳外形

船模靜水中自航CFD模擬中的網格劃分及邊界條件設置參照3.1節(jié)中船模靜水阻力設置，得到CFD計算的靜水中自航船模阻力、螺旋槳推力與轉矩（見表5）。通過與試驗值對比分析可以看出，CFD計算的船模阻力與模型試驗結果非常接近，兩者之間的差別在1%左右。螺旋槳推力、扭矩與模型試驗結果也相當接近，差別在3%左右。

表5 船模靜水中的自航CFD計算結果

通過對以上靜水中船模阻力和自航CFD模擬結果的分析，初步證明本文的CFD計算方法能夠進行船模靜水狀態(tài)下的自航模擬，且模擬結果具有相當高的精度。以上研究工作為后期開展相似船型船模靜水及運動自航CFD模擬奠定了技術基礎。

3.2.2 船槳舵系統(tǒng)水動力分析

通過生成網格并進行邊界條件的設置，采用船速1.220 m/s、螺旋槳轉速10.141 r/min（下面設置一致）。計算結果得到船-槳-舵系統(tǒng)水動力結果，見表6。

表6 船-槳-舵系統(tǒng)水動力數值計算結果（靜水）

靜水狀態(tài)中，將船-槳-舵-舵附推力鰭系統(tǒng)的計算結果與船-槳-舵系統(tǒng)的計算結果比較后發(fā)現，前者船體阻力增加0.75 N、螺旋槳的推力增加了0.99 N，螺旋槳的轉矩從數據上看沒有變化。計算結果表明安裝舵附推力鰭對螺旋槳的轉矩沒有明顯的影響，船體阻力以及螺旋槳推力均有所增加。

圖6為船體表面的自由液面的計算結果圖形，紅色部分和藍色部分的交界處為自由液面，圖7為開爾文波形圖。舵附推力鰭對于船體自由液面的分布沒有明顯效果。從自由液面位置圖可以明顯看出在船體首柱位置自由液面明顯升高，船首處波面升高最大是由于船首處為船體周圍流線的駐點所在的位置，流體壓力最大。為平衡這一壓力升高，流體液面升高，以平衡此處的壓力變化。液面升高后又逐漸下降然后再升高，從船體中部往后，液面升高漸趨不明顯。

圖6 船體表面自由液面

從圖8的十字型參考線明顯可見船-槳-舵-舵附推力鰭系統(tǒng)的槳后盤面處的速度分布更接近左右對稱，而船-槳-舵系統(tǒng)的槳后盤面處的速度分布則逆時針旋轉一定角度，表明船-槳-舵系統(tǒng)的槳后尾流的旋轉比船-槳-舵-舵附推力鰭系統(tǒng)更為強烈，從而浪費螺旋槳輸出能量［9-14］。

圖7 開爾文波形圖

圖8 螺旋槳后盤面處速度分布云圖

4 運動中的船-槳-舵系統(tǒng)水動力分析

船舶運動通過重疊網格技術來實現，通過在靜水中強制船舶搖蕩來模擬其在不同波浪條件下的運動狀態(tài)，計算船舶在不同運動狀態(tài)下，船-槳-舵-舵附推力鰭系統(tǒng)中螺旋槳的推力、船體的阻力、螺旋槳的轉矩。本文基于Overset網格技術對船槳推進系統(tǒng)旋轉與縱搖（橫搖）的耦合運動進行數值模擬，計算過程中考慮了重力的影響，對該船槳推進系統(tǒng)在縱搖運動（縱搖最大角度1°，周期10 s）、橫搖運動（橫搖最大角度5°，周期5 s）兩種工況下的水動力性能進行計算和分析。船體縱搖運動的公式定義為：

圖9為船槳推進系統(tǒng)在振蕩運動狀態(tài)下的運動示意圖，圖中標出了下文分析中會出現的四個時刻所對應的位置，即t/T=0.00（與t/T=1.00相同）、t/T=0.25、t/T=0.5、t/T=0.75。

圖9 船體縱搖（橫搖）運動示意圖

4.1 縱搖下的船-槳-舵系統(tǒng)水動力分析

通過生成網格并進行邊界條件的設置，采用船速1.220 m/s，螺旋槳轉速10.141 r/min（與前面設置一致）。推力和轉矩收斂曲線見圖10和圖11。

圖10 帶有舵附推力鰭的船槳舵系統(tǒng)在縱搖運動下推力值收斂曲線

圖11 帶有舵附推力鰭的船槳舵系統(tǒng)在縱搖運動下轉矩值收斂曲線

由于船體進行規(guī)律性的運動，阻力與推力都是周期性變化，選取一個周期，取平均值得到船體阻力與螺旋槳推力和轉矩。數值計算結果見表7。

表7 船-槳-舵系統(tǒng)水動力數值計算結果（縱搖）

縱搖狀態(tài)下，將船-槳-舵-舵附推力鰭系統(tǒng)的計算結果與船-槳-舵系統(tǒng)的計算結果比較后發(fā)現，前者船體阻力增加1.11 N、螺旋槳的推力增加了0.22 N，螺旋槳的轉矩從數據上看沒有變化。計算結果表明，安裝舵附推力鰭對螺旋槳的轉矩沒有明顯的影響，船體阻力以及螺旋槳推力均有所增加。

4.2 橫搖下的船-槳-舵系統(tǒng)水動力分析

橫搖狀態(tài)下，數值計算結果見表8，推力和轉矩收斂曲線見圖12和圖13。

表8 船-槳-舵系統(tǒng)水動力數值計算結果（橫搖）

圖12 帶有舵附推力鰭的船槳舵系統(tǒng)在橫搖運動下推力值收斂曲線

圖13 帶有舵附推力鰭的船槳舵系統(tǒng)在橫搖運動下扭矩值收斂曲線

將船-槳-舵-舵附推力鰭系統(tǒng)的計算結果同船-槳-舵系統(tǒng)的計算結果比較后發(fā)現：前者船體阻力增加1.88 N，螺旋槳的推力增加0.09 N，螺旋槳的轉矩從數據上看并沒有變化。計算結果表明，安裝舵附推力鰭對螺旋槳的轉矩沒有明顯影響，船體阻力以及螺旋槳推力均有所增加。

5 結 論

本文進行了船-槳-舵系統(tǒng)以及船-槳-舵-舵附推力鰭系統(tǒng)的水動力計算，旨在通過計算安裝舵附推力鰭的船舶在不同運動狀態(tài)下螺旋槳的推力、轉矩，并與靜水工況下的船-槳-舵系統(tǒng)螺旋槳推力、轉矩進行對比分析，獲得船舶不同運動狀態(tài)下舵附推力鰭的水動力性能，并得出如下結論：

（1）靜水狀態(tài)與運動狀態(tài)下舵附推力鰭有助于提高螺旋槳效率。

（2）船體縱搖、橫搖運動狀態(tài)對于螺旋槳的效率影響較大，且船體阻力也會變大。

（3）本文采用強迫船體產生橫搖、縱搖運動的方法來模擬船舶在波浪中的運動，與船舶在波浪中的真實運動有一定的區(qū)別。

在后續(xù)工作中，將嘗試運用動態(tài)流體固體相互作用（DFBI，Dynamic Fluid Body Interaction）來模擬船舶在波浪中的六自由度搖蕩運動，設置不同的波浪參數，使計算結果更接近于船舶在波浪中航行的真實情況。

［ 1 ］王超.船舶特種推進器與附加節(jié)能裝置［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2013：40-60.

［ 2 ］胡海洲，蘇玉民，沈海龍，等.船體影響下舵附推力鰭的節(jié)能效果研究［J］.艦船科學技術，2016（5）：67-72.

［ 3 ］Carrica P M， Fu Huiping， Stern F.Computations of selfpropulsion free to sink and trim and of motions in head waves of the KRISO Container Ship（KCS）model［J］.Applied Ocean Research， 2011，33： 309-320.

［ 4 ］趙大剛.船-槳-舵-舵球式推力鰭系統(tǒng)水動力性能數值計算［D］.哈爾濱：哈爾濱工程大學，2012.

［ 5 ］Giulio Dubbioso， Roberto Muscari， Andrea Di Mascio.Analysis of the performance of a marine propeller operating in oblique flow［J］.Computer & Fluid，2013，75：86-102.

［ 6 ］Lin Z， Wang X， Yuan X， et al.Investigation and improvement of the staggered labyrinth seal［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2015（2）：402-408.

［ 7 ］倪崇本.基于CFD的船舶阻力性能綜合研究［D］.上海交通大學，2011.

［ 8 ］National Maritime Research Institute（NMRI）.Tokyo 2015-A Workshop on CFD in Ship Hydrodymics［EB/OL］.Tokyo，［December2-4，2015］.http：//www.t2015.nmri.go.jp/index.html.

［ 9 ］黃勝.船舶推進節(jié)能技術與特種推進器［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2007.

［10］黃勝，郭春雨.船舶推進節(jié)能技術研究與進展［J］.艦船科學技術，2007（1）：27-32.

［11］郭春雨，黃勝，常欣.非定常流中槳后舵附推力鰭的數值模擬［J］.哈爾濱工程大學學報，2007（3）：259-262.

［12］郭春雨.螺旋槳與舵附推力鰭相互干擾水動力性能數值計算［D］.哈爾濱工程大學，2007.

［13］郭春雨，黃勝.面元法計算槳后舵附推力鰭水動力性能［J］.哈爾濱工程大學學報，2006（4）：501-504.

［14］郭春雨，黃勝.非線性渦格法預報槳后舵附推力鰭水動力性能［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2006（6）：87-89.

Analysis of hydrodynamic performance of rudder with additional thrust f ns for moving ships

WANG Wen-quan1WANG Shi-yang1ZHANG Tian-tian2
(1.Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 200011, China; 2.Dalian Vocational & Technical College, Dalian 116035, China)

The CFD simulations of the self-propulsion test with pitch and rolling for a 75 000 t model ship were carried out by the numerical wave tank technology and numerical towing tank technology based on RANSE.The resistance test and self-propulsion test simulations for the ship in calm water were firstly performed and compared with the model test results to preliminarily validate the CFD simulation method.Then, the self-propulsion tests for the model ships with or without rudders with additional thrust fins under the different motion modes were simulated to analyze the resistance and motion responses of the model ship, and the thrust and torque of the aft propeller, resulting in the relevant variation characteristics.The research can provide guidance and reference for the study and prediction of powering performance of ships in waves.

rudder with additional thrust fins; pitch; rolling; self-propulsion

U661.1

A

1001-9855（2016）06-0019-09

2016-04-18；

2016-07-19

王文全（1987-），男，博士，工程師，研究方向：船舶總體設計。王詩洋（1981-），男，碩士，高級工程師，研究方向：船舶總體設計。張?zhí)焯恚?986-），女，碩士，實驗師，研究方向：船舶性能試驗。

10.19423/j.cnki.31-1561/u.2016.06.019