基于CFD的某化學(xué)品船預(yù)旋定子優(yōu)化

韓聰，傅慧萍，2，馬寧，2，楊晨俊，2

1高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

2上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

基于CFD的某化學(xué)品船預(yù)旋定子優(yōu)化

韓聰1，傅慧萍1，2，馬寧1，2，楊晨俊1，2

1高新船舶與深海開發(fā)裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，上海200240

2上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200240

基于CFD通用軟件FLUENT，對模型尺度下配置了舵球鰭和預(yù)旋定子的某55k DWT化學(xué)品船的自航性能進(jìn)行數(shù)值模擬。通過推進(jìn)效率的提高對定子的節(jié)能效果進(jìn)行評估，并且?guī)缀跛械淖院揭蜃釉诩佣ㄗ雍蟮淖兓厔荩ㄈ纾恨D(zhuǎn)速降低、推力減額和伴流分?jǐn)?shù)增大）計(jì)算結(jié)果都與試驗(yàn)結(jié)果一致。尾流能量分析進(jìn)一步驗(yàn)證了定子的節(jié)能效果：可有效減少尾流中的動(dòng)能。之后進(jìn)行基于CFD的預(yù)旋定子優(yōu)化，對原型之外的3個(gè)改型設(shè)計(jì)進(jìn)行的數(shù)值模擬結(jié)果顯示：這些改型定子的節(jié)能效果依次遞增；推進(jìn)效率最高的改型相對于無定子情形，其在槳前的動(dòng)能增加最大，在槳后的動(dòng)能減少也最大。

預(yù)旋定子；節(jié)能；自航；優(yōu)化

0 引 言

船舶節(jié)能的重要性已為世界各國認(rèn)識到，船舶節(jié)能技術(shù)也受到廣泛關(guān)注。與新型節(jié)能船舶或高效螺旋槳相比，導(dǎo)管、舵球鰭及扭曲舵等水動(dòng)力節(jié)能附體無疑具有代價(jià)低、高效易實(shí)施等優(yōu)勢［1］。其中，預(yù)旋定子是置于艉部螺旋槳前的一種節(jié)能裝置。通常，同時(shí)使用2種及以上不同類型的節(jié)能附體可以得到更好的節(jié)能效果。大宇造船曾報(bào)道：通過扭曲舵、舵球及預(yù)旋定子的組合，節(jié)能效果可達(dá)3%～6%［2］。

楊帆等［3］對大型散貨船的預(yù)旋定子進(jìn)行了節(jié)能效果評估。數(shù)值模擬得到的推進(jìn)效率提高約3.1%，而模型試驗(yàn)為6.0%。通過速度矢量圖和尾流能量計(jì)算進(jìn)行了節(jié)能機(jī)理分析，結(jié)果顯示：定子的尾部襟翼產(chǎn)生了預(yù)旋效果。

黃樹權(quán)等［4］通過收到功率的降低對某散貨船的預(yù)旋定子進(jìn)行了節(jié)能效果評估。數(shù)值模擬結(jié)果顯示：扭矩增加而轉(zhuǎn)速降低，收到功率降低約1.05%，而模型試驗(yàn)為3.40%。之后，他們又嘗試了預(yù)旋定子與導(dǎo)管的組合［5］。這一次數(shù)值模擬得到的節(jié)能效果約為2.48%，而模型試驗(yàn)為2.86%，兩者吻合較好。

苗飛等［6］對預(yù)旋導(dǎo)管內(nèi)的定子葉片周向布置形式進(jìn)行了分析（不考慮船體）。研究了單個(gè)葉片的周向影響范圍及攻角對切向預(yù)旋作用的影響，并建議2個(gè)葉片的最佳角度為45°。之后，苗飛等又對文獻(xiàn)［4］中的CFD結(jié)果進(jìn)行了后處理及分析。通過定子葉片上的壓力云圖及其對船舶尾流動(dòng)能的影響得到定子阻力特性及其預(yù)旋節(jié)能機(jī)理［7］。

Gao等［8］通過改變周向布置、葉片數(shù)及葉片攻角，為某雙體船設(shè)計(jì)了預(yù)旋定子以改善伴流分布及艉部流場，從而增加螺旋槳預(yù)旋流動(dòng)并減少旋轉(zhuǎn)動(dòng)能損失。凌乃俊等［9］基于升力線理論和CFD數(shù)值方法，通過引進(jìn)一個(gè)加權(quán)因子，在推進(jìn)效率和阻力之間得到了預(yù)旋定子的最佳環(huán)量設(shè)計(jì)。?elik等［10］基于升力線理論給出了一個(gè)螺旋槳后置定子的設(shè)計(jì)程序。Park等［11］為實(shí)尺度帶節(jié)能附體船舶提出了一種可靠、高效的推進(jìn)性能預(yù)報(bào)方法，該方法相比實(shí)尺度CFD，計(jì)算消耗的計(jì)算資源及計(jì)算時(shí)間均較少。

本文將根據(jù)流體技術(shù)開發(fā)公司（Fluid Technology Company，F(xiàn)TC）提供的SSPA模型試驗(yàn)報(bào)告對節(jié)能效果評估的數(shù)值模擬方法進(jìn)行校驗(yàn)。在原型定子的基礎(chǔ)上提出3個(gè)改型，并圍繞它們進(jìn)行自航計(jì)算，提出一些優(yōu)化方向。

1 模型與網(wǎng)格

1.1 幾何建模

圖1所示為計(jì)算對象——某化學(xué)品船。坐標(biāo)系定義如下：坐標(biāo)原點(diǎn)位于船底基線上舵軸位置；x軸指向船艏；y軸鉛垂向上；z軸按右手規(guī)則，指向船右側(cè)（從后往前看）。

圖1 坐標(biāo)及建模示意圖Fig.1 Coordinate system and modeling of stern，stator，propeller and rudder-bulb-fin

表1給出了實(shí)船主尺度和根據(jù)縮尺比1∶27.083=0.036 9換算得到的模型主尺度等參數(shù)。其中，Lwl為模型水線長，Tdes為設(shè)計(jì)水深，DP為螺旋槳直徑，U0為船速。此外，濕表面積Swl= 11.713 6 m2，雷諾數(shù)Re=8.476×106，傅汝德數(shù)Fr= 0.176。

表1 主尺度Table 1 Main particulars

1.2 網(wǎng)格設(shè)計(jì)

采用模塊化網(wǎng)格設(shè)計(jì)。除圖2所示不帶定子網(wǎng)格之外，本文的計(jì)算至少還需要生成4套帶定子網(wǎng)格（圖3），分別對應(yīng)于原型定子和3個(gè)改型定子。每套網(wǎng)格都包括2個(gè)區(qū)域：遠(yuǎn)場和近壁區(qū)，每個(gè)區(qū)域又包含若干個(gè)體網(wǎng)格。遠(yuǎn)場網(wǎng)格可完全共用，近壁區(qū)大部分體網(wǎng)格也可共用，僅艉部下方附體域中對應(yīng)于定子區(qū)域的個(gè)別體網(wǎng)格需要置換。

2 螺旋槳敞水性能計(jì)算

采用單流道計(jì)算敞水性能，流域?yàn)?/4個(gè)圓柱體，入口取在槳盤面上游6DP處，出口取在槳盤面下游12DP處，圓柱體直徑為12DP。包含槳葉的子域采用四面體單元離散，其它區(qū)域采用三棱柱或六面體單元離散，單元總數(shù)約94萬。采用SSTk-ω湍流模型。圖4給出了敞水性能曲線的計(jì)算值與試驗(yàn)值（包括多項(xiàng)式擬合曲線）的比較。在自航點(diǎn)J=0.4附近，KT，KQ，η0的計(jì)算誤差分別為2.2%，6.0%和-4.1%，對于采用等推力法的自航模擬計(jì)算，此網(wǎng)格精度及計(jì)算方法是適用的。

圖2 不帶定子網(wǎng)格Fig.2 Mesh without stator

圖3 帶定子網(wǎng)格Fig.3 Mesh with stator

圖4 敞水性能曲線Fig.4 Open water performance curves

3 自航計(jì)算

3.1 不帶定子

計(jì)算采用多參考系（Multi-Reference Frame，MRF）方法在實(shí)船自航點(diǎn)上進(jìn)行。因此，將調(diào)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速，在施加拖曳力的情形下達(dá)到來流方向上力的平衡。此處拖曳力即為摩擦阻力修正值SFC，有

式中：T為螺旋槳推力；RT,SP為自航總阻力。按試驗(yàn)時(shí)的工況，在實(shí)船自航點(diǎn)附近對螺旋槳轉(zhuǎn)速進(jìn)行近似取值。令SFC=14.10 N，n=8.85 s-1，進(jìn)行自航計(jì)算。得到推力T和總阻力RT,SP，將其代入式（2），得到此轉(zhuǎn)速下的推力余量Te。

如果Te＞0，嘗試較低的轉(zhuǎn)速；反之亦然。由此，得到符號相反的2個(gè)推力余量（圖5）。然后進(jìn)行插值，得到推力余量為0對應(yīng)的轉(zhuǎn)速n=9.23 s-1。重新進(jìn)行此轉(zhuǎn)速下的船槳整體計(jì)算，并最終確定自航推力T=45.899 0 N，Q=1.394 4 N·m；對應(yīng)的推力系數(shù)和扭矩系數(shù)分別為KT=0.162 4，KQ=0.020 6。

圖5 推力余量Fig.5 Excess thrusts at different rates of rotation

根據(jù)等推力法則，查詢敞水性能曲線，得到進(jìn)速系數(shù)J=0.451，敞水扭矩及敞水效率分別為將不帶螺旋槳的拖航計(jì)算得到的拖航阻力RT,Tow=47.764 1 N代入推力減額分?jǐn)?shù)計(jì)算式，得到t=(RT,SP-RT,Tow)/T= 0.271。由進(jìn)速系數(shù)J及轉(zhuǎn)速n推得進(jìn)速va=J·nD=1.0 m/s，從而得到伴流系數(shù)w=1-va/U= 0.302。由此得到船身效率和相對旋轉(zhuǎn)效率分別為ηH=(1-t)/(1-w)=1.044，ηR=KQ0/KQ=1.015。最終得到推進(jìn)效率ηD=ηHη0ηR=0.591。表2給出了自航計(jì)算結(jié)果及其與試驗(yàn)值的比較。盡管誤差略微偏大，但不影響加定子前后的相對比較。

表2 計(jì)算結(jié)果（不帶定子）Table 2 Computational results without stator

3.2 原型定子Case 1

為便于表達(dá)，對定子各葉片進(jìn)行編號（圖6）。由表3可見，定子對自航性能的改善在定性比較上已基本完成，除相對旋轉(zhuǎn)效率一項(xiàng)之外，各自航因子的上升和下降與試驗(yàn)基本吻合。但由于這個(gè)量值本身較小，對最后的計(jì)算結(jié)果影響不大。節(jié)能定子Case 1的推進(jìn)效率較之不帶定子情形提高了5.1%，這個(gè)增量在數(shù)值上比試驗(yàn)值2.7%偏高，定子的節(jié)能效果得到了計(jì)算驗(yàn)證。

圖6 原型Case 1示意圖Fig.6 Configuration of the prototype Case 1

表3 帶定子前后的比較Table 3 Comparison between with and without stator

3.3 改型定子Case A～C

為了得到最佳節(jié)能效果，原型定子Case 1被優(yōu)化成3個(gè)改型：Case A～C（圖7）。嘗試去掉Case 1的右舷2個(gè)葉片S2和S3，僅保留3個(gè)葉片（左舷2個(gè)，右舷1個(gè)）。P1和S1加長并下移，P2則縮短并增大攻角，得到Case A。由表4可見，Case A的推進(jìn)效率略高于Case 1。令Case A的葉片P2逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)90°拷貝生成一個(gè)新葉片，得到Case B。由表4可見，Case B的推進(jìn)效率比Case 1的提高了近1.3%。進(jìn)一步借鑒Mewis導(dǎo)管專利文獻(xiàn)中的定子布置，令Case B的葉片P1和P2順時(shí)針旋轉(zhuǎn)22.5°，P3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)40°，得到Case C。由表4可見，Case C的推進(jìn)效率按照預(yù)期進(jìn)一步提高，與Case 1相比提高了1.6%。

圖7 3個(gè)改型Fig.7 Three optimized types

表4 改型與原型之間的比較Table 4 Comparison of Case A～C and Case 1

4 尾流動(dòng)能分析

圖8給出了螺旋槳、節(jié)能定子及舵球鰭的相對位置，以及槳前截面A、槳盤面B和槳后截面C的位置示意。3個(gè)截面均為以槳軸中心線為基準(zhǔn)的圓面，其直徑為螺旋槳直徑的1.05倍，3個(gè)面兩兩相距0.1Dp。

圖8 槳盤面及與其平行的前后2個(gè)截面Fig.8 Propeller plane and two parallel sections

船舶在航行時(shí)螺旋槳吸收主機(jī)功率，推動(dòng)船舶前進(jìn)，但是螺旋槳吸收的功率并不能全部用于克服船舶阻力，有相當(dāng)一部分能量損失在螺旋槳的尾流中。節(jié)能裝置（例如前置定子）的作用就是減小尾流中的能量損失，提高推進(jìn)效率，以達(dá)到節(jié)能的作用。因此，用能量的觀點(diǎn)來分析船尾流場能夠簡潔明了地展示節(jié)能裝置的節(jié)能機(jī)理。首先定義在尾流中單位時(shí)間內(nèi)通過某截面Sw處的軸向動(dòng)能Eax和橫向動(dòng)能Etr：

總動(dòng)能為

無因次化之后為：

式中：Va，Vt和Vr分別為尾流中的軸向速度、切向速度和徑向速度；Vs為遠(yuǎn)方來流速度；Sw為某截面面積。這里，橫向動(dòng)能Etr其實(shí)是切向和徑向動(dòng)能的總和。當(dāng)總動(dòng)能Ktotal=0時(shí)，說明尾流中沒有動(dòng)能損失；當(dāng)Ktotal＞0時(shí)，說明推進(jìn)系統(tǒng)的能量有一部分浪費(fèi)在了尾流中。Ktotal值越大，說明損失在尾流中的能量越多。表5～表7分別給出了3個(gè)改型定子及原型定子與不加定子情形下的船尾截面A，B和C處的尾流動(dòng)能比較。表中：ΔKtotal為帶定子的Ktotal與不帶定子的Ktotal差值相對百分比，ΔKax和ΔKtr的定義類似。

表5 截面A上的動(dòng)能增量Table 5 The increment of kinetic energy on section A relative to that without stator respectively

表6 截面B上的動(dòng)能增量Table 6 The increment of kinetic energy on section B relative to that without stator respectively

表7 截面C上的動(dòng)能增量Table 7 The increment of kinetic energy on section C relative to that without stator respectivly

由表5可知，4型定子相較于無定子情形，槳前動(dòng)能都有所增加，尤其是Case C。由表6和表7可知，通過槳盤面及槳后截面的總動(dòng)能無一例外均減小，尤其是槳后截面。也就是說前置定子的預(yù)旋作用減少了螺旋槳的尾流動(dòng)能從而產(chǎn)生節(jié)能效果。對于推進(jìn)效率最高的Case C而言，相較于其它3型定子，其槳前動(dòng)能增加最大，槳后動(dòng)能減少也最大。

5 結(jié) 語

預(yù)旋定子的節(jié)能效果通過基于CFD的自航計(jì)算得到了評估。通過尾流能量分析，節(jié)能機(jī)理得到了驗(yàn)證：定子在槳前產(chǎn)生了反向預(yù)旋，這種預(yù)旋減少了槳后動(dòng)能損失，從而產(chǎn)生了節(jié)能效果。3個(gè)改型定子與原型定子的比較顯示：推進(jìn)效率最高的改型，其在槳前的動(dòng)能增加最大，槳后的動(dòng)能減少也最大；前置預(yù)旋定子左舷側(cè)的葉片數(shù)多于右舷側(cè)，節(jié)能效果會(huì)更好。

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Optimization of pre-swirl stators based on CFD for a chemical product carrier

HAN Cong1，F(xiàn)U Huiping1，2，MA Ning1，2，YANG Chenjun1，2

1 Collaborative Innovation Center for Advanced Ship and Deep-Sea Exploration，Shanghai 200240，China

2 State Key Laboratory of Ocean Engineering，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200240，China

The viscous self-propulsion flow fields of a model-scaled 55k DWT chemical product carrier fitted with a rudder-bulb-fin and a pre-swirl stator are numerically simulated based on the CFD general code FLUENT.The energy saving effects of stators are evaluated through the increase of propulsive efficiency.It is found that the computed changing tendencies of almost all self-propulsion factors after being equipped with a stator are the same as in the experiments,such as a decreased revolution rate, increased thrust deduction and mean wake.A wake energy analysis is also conducted to verify the energy-saving effects of stators,and it shows that the stator decreases the flow of kinetic energy behind the propeller through its contra-propeller pre-swirl.Next,an optimization of pre-swirl stators is conducted by CFD.Aside from the prototype stator,three modified stators are designed and the self-propulsion characteristics with these stators are also numerically simulated.The increase order of the evaluated energy-saving effects of these modified stators is seen to be the same as in the design idea.The case with the highest propulsive efficiency shows the largest increase ofKtotalbefore the propeller and the largest decrease ofKtotalbehind the propeller relative to cases without stators.

pre-swirl stator；energy-saving；self-propulsion；optimization

U664.33

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.01.012

2016-04-28

2016-12-28 15:41

韓聰，男，1994年生，碩士生。研究方向：船舶計(jì)算流體力學(xué)傅慧萍（通信作者），女，1972年生，博士，副教授。研究方向：船舶計(jì)算流體力學(xué)。E-mail：fuhp@sjtu.edu.cn馬寧，男，1961年生，博士，教授。研究方向：耐波性及船舶總體設(shè)計(jì)。E-mail：ningma@sjtu.edu.cn

http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20161228.1541.018.html期刊網(wǎng)址：www.ship-research.com

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