螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力數(shù)值預(yù)報(bào)*

陽(yáng) 濤 林永水 吳衛(wèi)國(guó) 秦江濤 賀 偉 秦升杰

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (武漢理工大學(xué)理學(xué)院2) 武漢 430070) (國(guó)家深?；毓芾碇行?) 青島 266237)

螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力數(shù)值預(yù)報(bào)*

陽(yáng) 濤1)林永水1,2)吳衛(wèi)國(guó)1)秦江濤1)賀 偉1)秦升杰3)

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1)武漢 430063) (武漢理工大學(xué)理學(xué)院2)武漢 430070) (國(guó)家深海基地管理中心3)青島 266237)

基于RANS方法，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)建立“船+槳”計(jì)算模型對(duì)雙尾客船的螺旋槳誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力進(jìn)行了數(shù)值預(yù)報(bào).對(duì)比不同航速下船模阻力試驗(yàn)值與計(jì)算值，發(fā)現(xiàn)二者吻合良好，計(jì)算精度較高，說(shuō)明了計(jì)算模型的可靠性；重點(diǎn)分析了船底板脈動(dòng)壓力沿船長(zhǎng)方向及船寬方向的分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)最大脈動(dòng)壓力分別發(fā)生在槳盤面前方0.1D處以及槳軸心線右側(cè)0.05D處，且脈動(dòng)壓力沿船長(zhǎng)方向衰減速度較船寬方向更快，而在船寬方向的作用范圍較船長(zhǎng)方向更廣；分別探討了不同梢隙比、不同轉(zhuǎn)速、不同航速下脈動(dòng)壓力的變化規(guī)律.研究表明，脈動(dòng)壓力一階幅值是該船后螺旋槳誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力的主要成分，增加梢隙比、減小螺旋槳轉(zhuǎn)速，以及增加航速均會(huì)降低螺旋槳誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力.

螺旋槳；脈動(dòng)壓力；數(shù)值預(yù)報(bào)；船體阻力；網(wǎng)格劃分

0 引 言

自20世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著船舶不斷向大型化和高速化發(fā)展，船舶主尺度、載重量，以及主機(jī)功率均在不斷加大，然而受到尾型、吃水，以及水動(dòng)力性能等條件的限制，螺旋槳直徑及個(gè)數(shù)增加空間很小，這使得槳葉負(fù)載與轉(zhuǎn)速不斷增加，伴隨著船尾不均勻流場(chǎng)的存在，由螺旋槳所誘導(dǎo)的激振力持續(xù)增大，最終導(dǎo)致船尾螺旋槳上方振動(dòng)驟增，船尾有害振動(dòng)事件頻發(fā)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，船舶上出現(xiàn)的有害振動(dòng)，80%的案例是由螺旋槳激振力所應(yīng)起的[1].螺旋槳在船后不均勻的伴流場(chǎng)中運(yùn)轉(zhuǎn)，隨著槳葉負(fù)荷周期性改變，必將對(duì)船體產(chǎn)生激振力.根據(jù)作用力的傳遞方式不同，螺旋槳激振力可分為軸承力與表面力：軸承力是指以葉頻為基頻的脈動(dòng)力和力矩通過軸系傳遞到船體的作用力，表面力即由螺旋槳誘導(dǎo)的船尾壓力場(chǎng)經(jīng)流體傳遞至船體表面的激振力.文獻(xiàn)[2]中的實(shí)測(cè)結(jié)果均表明螺旋槳誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力誘發(fā)船尾有害振動(dòng)的最主要因素，這也是引起國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的重要原因所在.

目前，國(guó)內(nèi)外螺旋槳脈動(dòng)壓力的計(jì)算方法主要有理論計(jì)算、經(jīng)驗(yàn)公式、試驗(yàn)方法和CFD數(shù)值計(jì)算.理論計(jì)算主要基于流體力學(xué)理論，通常需要采取一些假設(shè)該條件，主要方法包括勢(shì)流理論、升力面法、面元法，以及計(jì)算流體力學(xué)方法等.經(jīng)驗(yàn)公式主要包括Holden法、Johnsson法、谷口中-高橋肇方法等[3]，各公式通常只適用于特定尾型的船舶，其精度較低，有一定的局限性.試驗(yàn)方法需要在空泡水筒或者減壓拖曳水池中進(jìn)行，對(duì)試驗(yàn)硬件設(shè)施要求較高，國(guó)內(nèi)主要以熊鷹、伍銳、季斌等學(xué)者開展了較多研究.CFD數(shù)值計(jì)算具有低成本、高效快速等優(yōu)勢(shì)，隨著近年來(lái)計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，CFD數(shù)值方法在計(jì)算精度與穩(wěn)定性上有了較大的提升，第26屆國(guó)際拖曳水池會(huì)議中CFD委員會(huì)明確指出CFD計(jì)算精度可以滿足工程應(yīng)用要求.殷玉梅[4]基于雙向流固耦合，選用RNGk-ε模型對(duì)船槳流體模型進(jìn)行脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)，并在德國(guó)漢堡船模試驗(yàn)水池(HSVA)開展模型試驗(yàn)，對(duì)比仿真、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及經(jīng)驗(yàn)公式結(jié)果，發(fā)現(xiàn)CFD方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果較為接近，其精度要遠(yuǎn)高于經(jīng)驗(yàn)公式.丁科等[5]以E779A槳為研究對(duì)象，采用RANS方法結(jié)合VOF方法考慮自由液面，通過進(jìn)行“船+槳”模型的數(shù)值自航試驗(yàn)，通過瞬態(tài)計(jì)算得到螺旋槳激振力的時(shí)域值，得到了船體表面脈動(dòng)壓力的大小.Sato等[6]應(yīng)用CFD數(shù)值仿真對(duì)10個(gè)不同的螺旋槳進(jìn)行了脈動(dòng)壓力的預(yù)報(bào)，并將預(yù)報(bào)結(jié)果與模型試驗(yàn)值相比較，結(jié)果顯示，CFD方法能夠較為準(zhǔn)確的應(yīng)用于螺旋槳片空泡脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)，同時(shí)對(duì)于脈動(dòng)壓力一階幅值的預(yù)報(bào)已有較高的精度.

目前對(duì)于脈動(dòng)壓力的研究往往只針對(duì)較少測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行分析，鮮有對(duì)其在船體表面的分布規(guī)律開展深入研究，較少的測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)不足以為船舶振動(dòng)計(jì)算及艙室噪聲預(yù)報(bào)提供激勵(lì)數(shù)據(jù).基于此，文中通過在船底板布置豐富測(cè)點(diǎn)，對(duì)螺旋槳誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力進(jìn)行了預(yù)報(bào)，對(duì)其在船底表面的分布規(guī)律進(jìn)行了重點(diǎn)分析，同時(shí)探討了脈動(dòng)壓力在不同梢距、轉(zhuǎn)速以及航速下的變化規(guī)律.

1 計(jì)算模型與阻力驗(yàn)證

1.1 計(jì)算對(duì)象

本研究對(duì)象為一艘498客位現(xiàn)代客船，其為雙機(jī)雙槳單體船，主要參數(shù)見表1～2.CFD計(jì)算模型的縮尺比為1∶10.

表2 螺旋槳主要參數(shù)

1.2 計(jì)算域的建立

計(jì)算域的建立既要保證計(jì)算可靠性，也要考慮硬件的承載能力.文中研究對(duì)象為雙機(jī)雙槳的左右舷對(duì)稱船舶，左右雙槳之間的距離為3.6 m，經(jīng)計(jì)算發(fā)現(xiàn)雙槳均對(duì)彼槳上方D×D區(qū)域的流場(chǎng)干擾較小，而螺旋槳上方D×D區(qū)域?yàn)楸疚牡闹饕芯繀^(qū)域，因此不考慮雙槳干擾因素，只針對(duì)左半舷船舶與螺旋槳進(jìn)行分析，以提高計(jì)算效率.

計(jì)算域整體為一個(gè)長(zhǎng)5Lwl，半徑為1Lwl的1/4圓柱體流域，其相較于長(zhǎng)方體流域可以減少網(wǎng)格數(shù)量.其中，為保證來(lái)流的均勻性，設(shè)置流域入口至船首距離1Lwl；為盡量減小壁面效應(yīng)的影響，設(shè)置1/4圓柱計(jì)算域半徑1Lwl；為保證槳后尾流的充分發(fā)展，設(shè)置流域出口至船尾距離3Lwl.計(jì)算域整體見圖1.

圖1 計(jì)算域

為了后續(xù)網(wǎng)格劃分時(shí)進(jìn)行網(wǎng)格質(zhì)量與數(shù)量控制的方便，整個(gè)計(jì)算域劃分為流體大域、船體流域以及螺旋槳流域，見圖2.其中，船體區(qū)域其寬與高均為2倍船寬，前后邊界分別距離船體首尾距離均為1倍船寬；螺旋槳區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)與螺旋槳同軸的圓柱流域，將螺旋槳包裹其中，其直徑為1.2D.

圖2 船體流域與螺旋槳流域

1.3 網(wǎng)格劃分

為更好地?cái)M合船體與螺旋槳曲面、減小網(wǎng)格數(shù)量，船體及螺旋槳區(qū)域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，流體大域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格.對(duì)于船體流域，主船體表面網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.001 5Lwl，因艏部球首以及艉部表面曲率變化較大，網(wǎng)格劃分應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用埽粚?duì)于螺旋槳區(qū)域，槳葉表面網(wǎng)格尺寸設(shè)置為0.01D，而導(dǎo)邊、隨邊、葉梢及葉根處是網(wǎng)格劃分時(shí)應(yīng)關(guān)注的重點(diǎn)，應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)加密.由于壁面網(wǎng)格尺寸的選取對(duì)于湍流模型的計(jì)算結(jié)果有著較大的影響，因此需要對(duì)船體表面近壁網(wǎng)格進(jìn)行棱柱體網(wǎng)格劃分，經(jīng)多次試算后的Y+值對(duì)比，最終確定設(shè)置4層棱柱網(wǎng)格，其中第一層網(wǎng)格厚度設(shè)置為0.000 5Lwl，而后以1∶1的比例增長(zhǎng)，以確保湍流模型最終的壁面Y+值在30～300之間.網(wǎng)格質(zhì)量(quality)、縱橫比(aspect ratio)以及最小角度(min angle)是進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)的主要監(jiān)控對(duì)象，通過對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行多次光順優(yōu)化，最后使得以上3個(gè)指標(biāo)分別控制在0.35°,0.25°,18°以上，總網(wǎng)格數(shù)目控制在293萬(wàn)個(gè).

圖3 船尾與螺旋槳網(wǎng)格

1.4 邊界條件與計(jì)算設(shè)置

入口設(shè)置為速度入口(velocity-inlet)，V=2.44 m/s(對(duì)應(yīng)實(shí)船航速15 kn)，出口設(shè)置為壓力出口(pressure-outlet)，自由液面與對(duì)稱面設(shè)置均為對(duì)稱表面(symmetry)，流體壁面設(shè)置為移動(dòng)壁面(moving-wall)，船體表面、槳軸及支架、螺旋槳表面均設(shè)置為靜止壁面(stationary-wall).計(jì)算模型采用瞬態(tài)計(jì)算，設(shè)置螺旋槳流域網(wǎng)格為滑移網(wǎng)格，繞槳軸額定轉(zhuǎn)速為1 600 r/min.螺旋槳流域與船體流域之間，以及船體流域與流體大域之間均采用Interface連接，各流域之間通過Interface插值進(jìn)行信息傳遞[7-11].湍流模型采用RNGk-ε模型/標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，壓力速度耦合方式設(shè)置為PISO，計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)為0.000 469 s(每步旋轉(zhuǎn)4.5°).

1.5 船體阻力驗(yàn)證

在船槳模型進(jìn)行脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)的過程中，可對(duì)船體表面阻力進(jìn)行監(jiān)測(cè)(總阻力的一半).因模型采用瞬態(tài)計(jì)算，因此船體阻力不可能像穩(wěn)態(tài)計(jì)算達(dá)到絕對(duì)收斂，只能達(dá)到相對(duì)收斂.以實(shí)船航速Vs=15 kn(Vm=2.44 m/s)為例，見圖4a)，瞬態(tài)計(jì)算的模型阻力(已由半船換算至整船)在75.5～75.9 N之間變化，其平均阻力為75.785 N，將計(jì)算值與試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者誤差為2.499%.與此同時(shí)，后續(xù)開展對(duì)不同航速下的螺旋槳脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)，相應(yīng)得到各航速下船體受到的阻力.對(duì)比不同航速下船體阻力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值，見圖4b)，在各航速下(為方便對(duì)比，以實(shí)船航速為橫坐標(biāo))，計(jì)算模型對(duì)于阻力的預(yù)報(bào)最大誤差不超過4.755%，證明計(jì)算模型有較高的可靠性.

圖4 船體阻力性能

2 螺旋槳脈動(dòng)壓力計(jì)算與結(jié)果分析

2.1 螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力分析

圖5為船體表面脈動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置.為分析螺旋槳在尾部船底表面所誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力分布規(guī)律，在螺旋槳正上方船底表面選取D×D區(qū)域進(jìn)行脈動(dòng)壓力的分析.以螺旋槳正上方船底板位置為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，設(shè)置船長(zhǎng)、船寬、型深方向分別為X,Y,Z軸，并在D×D的船底板上布置有縱橫8×7共56個(gè)的脈動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn).其中Px4處Y向7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均為探討最大脈動(dòng)壓力而設(shè)置，其X向位置為X=0.1D，其他各監(jiān)測(cè)點(diǎn)均以0.166 7D等距排布.

圖5 船體表面脈動(dòng)壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置

結(jié)合Matlab對(duì)Journal文件對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)信息以及監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行編寫，并通過Fluent讀取Journal文件進(jìn)行監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)的批量輸入，以及批量監(jiān)測(cè)設(shè)置.經(jīng)過近72 h的計(jì)算，觀察到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力變化出現(xiàn)明顯的周期性，計(jì)算收斂，船體表面Y+值控制在187，螺旋槳葉背與葉面Y+值分別控制在171和154，近壁網(wǎng)格精度較高，見圖6.

圖6 船體與螺旋槳表面Y+值分布

選取計(jì)算收斂后螺旋槳旋轉(zhuǎn)1周各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)域壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，見圖7.圖7a)為槳軸心線上方船長(zhǎng)方向8個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(P0，Px1～Px7)壓力時(shí)域變化曲線，壓力變化幅度最大的監(jiān)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)在槳盤面前方0.1D處的Px4，由該點(diǎn)向船長(zhǎng)方向前后延伸，各點(diǎn)的壓力變化幅度逐漸減?。煌瑫r(shí)從槳后Px3處至槳前Px6，其平均壓力逐漸降低，Px7處開始提升，這是因?yàn)槁菪龢男D(zhuǎn)在槳上方形成了一個(gè)低壓區(qū).圖7b)為槳盤面正上方船寬方向7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(P0，Py1～Py6)的壓力時(shí)域變化曲線，其中P0點(diǎn)位于螺旋槳正上方，也是離葉梢最近的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，很明顯能看出從螺旋槳正上方P0點(diǎn)向船寬方向左右延伸，各點(diǎn)的壓力變化幅度逐漸減小，同時(shí)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的靜壓變化，出現(xiàn)了由左至右的相位延時(shí)，這是因?yàn)槁菪龢D(zhuǎn)方向?yàn)橛倚?，葉梢靠近各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間是從左至右依次的.

圖7 船體表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)域曲線

選取在收斂后螺旋槳旋轉(zhuǎn)12周的時(shí)域數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理，得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力頻域變化曲線，見圖8.由圖8可知，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力均在葉頻(133 Hz)與倍葉頻(266 Hz)處出現(xiàn)峰值，而在其他頻率其幅值均接近于0 Pa(為顯示方便，400 Hz以后曲線未予顯示)，同時(shí)葉頻處的峰值遠(yuǎn)大于倍葉頻處的峰值，是螺旋槳誘導(dǎo)脈動(dòng)壓力的主要成分.

圖8 船體表面監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力曲線

圖9為船長(zhǎng)方向(Y=0處)與船寬方向(X=0處)系列監(jiān)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力一階幅值分布曲線.在船寬方向，為更準(zhǔn)確獲取最大脈動(dòng)壓力幅值及其發(fā)生的位置，在P0與Py1之間增設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn).由圖8～9可知，在船寬方向，對(duì)于沿軸心線左右對(duì)稱的位置，右側(cè)位置的脈動(dòng)壓力均要大于左側(cè)，而最大脈動(dòng)壓力發(fā)生在槳軸心線右側(cè)約0.05D(Y=-0.05D)的位置；在船長(zhǎng)方向，最大脈動(dòng)壓力的位置并不出現(xiàn)在槳盤面正上方，而是在槳盤面前方約0.1D處，這與文獻(xiàn)[1]中多條船舶的實(shí)測(cè)規(guī)律是一致的,這也間接驗(yàn)證了文中分析方法的可靠性.

圖9 脈動(dòng)壓力分布曲線

為更全面的獲得船底板上的脈動(dòng)壓力分布規(guī)律，本文對(duì)所設(shè)56個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)經(jīng)FFT處理所得的脈動(dòng)壓力一階幅值進(jìn)行插值擬合，得到螺旋槳上方底板D×D區(qū)域脈動(dòng)壓力分布云圖以及三維視圖，見圖10.由圖10可知，螺旋槳在船底板上誘導(dǎo)的最大脈動(dòng)壓力約分布于以Y≈-0.05D，X≈0.1D為中心的橢圓區(qū)域內(nèi)；在船長(zhǎng)方向，以X=0.1D為中心向兩端延伸，脈動(dòng)壓力快速下降，至X=-0.2D以及X=0.5D處，脈動(dòng)壓力已由最大377 Pa下降至50 Pa以下；在船寬方向，脈動(dòng)壓力以Y=-0.05D為中心向兩側(cè)下降，其下降速度較船長(zhǎng)方向慢，而其作用范圍較船長(zhǎng)方向更廣.

圖10 螺旋槳上方D×D船底板脈動(dòng)壓力分布

2.2 槳盤面不同梢距脈動(dòng)壓力計(jì)算分析

充分了解槳盤面不同梢距處脈動(dòng)壓力的分布規(guī)律，對(duì)于船尾的尾型設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)作用.由圖11可知，在槳盤面正上方Zt/D=0.04，0.08，0.12，0.145(船底表面)處設(shè)置4×7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(Zt為槳葉正上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)與葉梢之間距離).

圖11 槳盤面不同梢距監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置

圖12為螺旋槳正上方4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓力時(shí)域變化曲線，經(jīng)FFT處理可得相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力頻域曲線見圖13，圖14為不同梢距處脈動(dòng)壓力一階幅值沿船寬的分布曲線.結(jié)合圖13～14可知，隨著梢距的增大，脈動(dòng)壓力一階幅值逐漸減小，其下降的趨勢(shì)逐漸減緩；同時(shí)，梢距越小，脈動(dòng)壓力的二、三階幅值體現(xiàn)的越明顯；梢距變化對(duì)螺旋槳正上方位置的脈動(dòng)壓力幅值影響較大，越靠近左右兩側(cè)，其影響逐漸減小，這與文獻(xiàn)[8]中對(duì)于某槳的試驗(yàn)結(jié)果分析的規(guī)律是一致的.

圖12 螺旋槳正上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓力時(shí)域曲線

圖13 螺旋槳正上方監(jiān)測(cè)點(diǎn)脈動(dòng)壓力曲線

圖14 船寬方向不同梢距脈動(dòng)壓力分布曲線

2.3 不同轉(zhuǎn)速螺旋槳脈動(dòng)壓力計(jì)算分析

為探討螺旋槳轉(zhuǎn)速對(duì)其誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力的影響規(guī)律，在保持航速不變的情況下，本文選擇了轉(zhuǎn)速n=400，1 450，1 500，1 550，1 600 r/min 5個(gè)工況進(jìn)行脈動(dòng)壓力分析.選擇槳軸對(duì)稱線上X=0.1D處的監(jiān)測(cè)點(diǎn)Px4作為分析對(duì)象，各轉(zhuǎn)速下Px4的壓力時(shí)域變化曲線見圖15，經(jīng)FFT處理可得到其脈動(dòng)壓力一階幅值，其隨轉(zhuǎn)速變化曲線見圖16.保持航速不變，隨著轉(zhuǎn)速的增加，螺旋槳誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力一階幅值大致呈線性增長(zhǎng)，同時(shí)其二階及更高階次增幅可忽略不計(jì).

圖15 不同轉(zhuǎn)速Px4壓力時(shí)域曲線

圖16 不同轉(zhuǎn)速Px4脈動(dòng)壓力曲線

2.4 不同航速螺旋槳脈動(dòng)壓力計(jì)算分析

圖17 不同航速Px4壓力時(shí)域曲線

圖18 不同航速Px4脈動(dòng)壓力曲線

3 結(jié) 論

1) 螺旋槳在其上方船底板D×D區(qū)域誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力：其大小主要由其一階幅值決定，二階及更高階次幅值已遠(yuǎn)小于一階幅值；在船寬方向沿軸心線左右對(duì)稱的位置，右側(cè)位置的脈動(dòng)壓力均要大于左側(cè)，最大脈動(dòng)壓力出現(xiàn)在槳軸心線右側(cè)約0.05D的位置；船長(zhǎng)方向的最大脈動(dòng)壓力出現(xiàn)在槳盤面前方約0.1D處；脈動(dòng)壓力在船長(zhǎng)方向的衰減速度較船寬方向更快，而在船寬方向的作用范圍較船長(zhǎng)方向更廣.

2) 螺旋槳槳盤面內(nèi)，隨著梢距的增加，其誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力一階幅值逐漸下降，下降的趨勢(shì)逐漸減緩；同時(shí)梢距變化對(duì)螺旋槳正上方位置的脈動(dòng)壓力影響較大，越靠近左右兩側(cè)，其影響逐漸減小.

3) 保持航速不變時(shí)，隨著螺旋槳轉(zhuǎn)速的增加，脈動(dòng)壓力一階幅值大致呈線性增加；保持轉(zhuǎn)速不變時(shí)，隨著航速增加，螺旋槳誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力逐漸減小，其減小的趨勢(shì)逐漸放緩.

4) 研究結(jié)果可以為船尾結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制提供指導(dǎo)，同時(shí)也可作為螺旋槳脈動(dòng)壓力引起的船體振動(dòng)以及艙室噪聲預(yù)報(bào)時(shí)的輸入激勵(lì).

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Numerical Prediction of Pressure Fluctuation Included by Propeller on Hull Surface

YANG Tao1)LIN Yongshui1,2)WU Weiguo1)QIN Jiangtao1)HE Wei1)QIN Shengjie3)

(SchoolofTransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)1)(SchoolofScience,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)2)(NationalDeepSeaCenter,Qingdao266237,China)3)

By using Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations, a ship-propeller model based on sliding mesh method is performed to numerically predict the propeller-induced pressure fluctuation for a double-stern passenger ship. It is found that hull resistances are predicted fairly well compared to the experimental results under different speeds, which validates the calculation models. The distribution of pressure fluctuation on hull bottom is analyzed in detail. Results show that the maximum of pressure fluctuation occurs at 0.1Din front of propeller disk in the direction of length, and 0.05Dto the right of propeller shaft axis in the direction of width. The pressure fluctuation decreases faster in the direction of length, while it presents a wider influencing scope in the direction of width. The variation laws of pressure fluctuation are discussed under series of tip clearance ratios, rotational velocities and ship speeds, respectively. The results show that the first-order amplitude of pressure fluctuation is dominant. In addition, the increase of tip clearance ratio and speed of the ship and the reduction of rotational velocity of propeller can lower the induced pressure fluctuations.

propeller; pressure fluctuation; numerical prediction; hull resistance; grid generation

2016-11-18

*中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(173114003)

U661.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.019

陽(yáng)濤(1991—)：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域?yàn)榇敖Y(jié)構(gòu)振動(dòng)與噪聲預(yù)報(bào)及控制