全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器多偏轉(zhuǎn)角工況水動(dòng)力性能研究

張文璨， 董國(guó)祥， 陳偉民

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器多偏轉(zhuǎn)角工況水動(dòng)力性能研究

張文璨， 董國(guó)祥， 陳偉民

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器多偏轉(zhuǎn)角數(shù)值計(jì)算策略進(jìn)行研究設(shè)計(jì)，運(yùn)用計(jì)算流體力學(xué)軟件Fluent對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器不同偏轉(zhuǎn)角(0°，±5°，±10°)工況下的水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值模擬。為驗(yàn)證該數(shù)值模擬方法的可靠性，在某拖曳水池進(jìn)行與數(shù)值模擬相對(duì)應(yīng)的敞水模型試驗(yàn)。通過對(duì)比，可知計(jì)算值與試驗(yàn)值具有較好的貼合性，數(shù)值計(jì)算方法較為可靠。根據(jù)數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)多進(jìn)速、不同偏轉(zhuǎn)角工況下全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的水動(dòng)力性能進(jìn)行分析，總結(jié)偏轉(zhuǎn)角及進(jìn)速系數(shù)對(duì)水動(dòng)力性能的影響規(guī)律。

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器；偏轉(zhuǎn)角；水動(dòng)力性能；數(shù)值模擬；模型試驗(yàn)

0 引 言

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器作為當(dāng)前船舶推進(jìn)器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，與傳統(tǒng)螺旋槳推進(jìn)方式比較,具有節(jié)省空間、優(yōu)化布置；改善推進(jìn)器空泡、水動(dòng)力性能及船舶航行性能；模塊化程度高，便于維護(hù)修理；可靠性高，適用性極強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的應(yīng)用使得船舶的可靠性、機(jī)動(dòng)性和運(yùn)行效率等方面大幅提高，其應(yīng)用領(lǐng)域也從工程船(如拖船、浮動(dòng)起重船、渡船及挖泥船等)拓展到豪華客船、油船和化學(xué)品船等。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器不僅具有廣闊的市場(chǎng)前景，而且具有重要的軍事應(yīng)用價(jià)值。因此，其理論研究得到國(guó)內(nèi)外船舶工作者的廣泛重視。

歐美各國(guó)對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的理論研究已開展多年，當(dāng)前其全回轉(zhuǎn)推進(jìn)配套技術(shù)已相當(dāng)完善，研發(fā)出多種性能優(yōu)良、能滿足工程需要的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)設(shè)備，如Azipull全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器、Dolphin“海豚”吊艙推進(jìn)系統(tǒng)、Mermaid吊艙推進(jìn)系統(tǒng)和Azipod吊艙推進(jìn)系統(tǒng)等，這幾種推進(jìn)器在全球客船市場(chǎng)中的份額非常高[1-6]。

我國(guó)對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的理論研究也較為完備，但與世界先進(jìn)水平相比仍存在著差距。車霖源等[7]進(jìn)行吊艙推進(jìn)器的敞水及自航試驗(yàn)，對(duì)吊艙推進(jìn)器的尺度效應(yīng)進(jìn)行研究；葉金銘等[8]基于面元法對(duì)拖式吊艙推進(jìn)器定常及非定常水動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算；郭春雨等[9]應(yīng)用混合面模型，對(duì)拖式吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)2種不同壁面函數(shù)下數(shù)值計(jì)算的精度及網(wǎng)格數(shù)量對(duì)吊艙推進(jìn)器數(shù)值模擬精度的影響進(jìn)行討論；胡健等[10]將速度勢(shì)低階面元法與等壓kutta條件相結(jié)合建立吊艙推進(jìn)器定常及非定常水動(dòng)力性能數(shù)值計(jì)算方法，并基于方法研究附鰭吊艙推進(jìn)器的定常水動(dòng)力性能及伴流對(duì)推進(jìn)器性能的影響；史一鳴等[11]對(duì)采用常規(guī)推進(jìn)方式和全回轉(zhuǎn)推進(jìn)方式的一種單槳運(yùn)輸船模型進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)；劉洪梅等[12]對(duì)某起重船模型進(jìn)行舵操縱和全回轉(zhuǎn)推進(jìn)操縱2種方式下的操縱性能對(duì)比試驗(yàn)。

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的數(shù)值模擬向來具有較高的難度。

1) 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所含部件眾多(如螺旋槳、導(dǎo)管、吊艙和導(dǎo)流翼等)，各部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)及周圍流場(chǎng)情況具有相當(dāng)復(fù)雜性。為保證各項(xiàng)水動(dòng)力系數(shù)的數(shù)值計(jì)算精度，必須對(duì)數(shù)值計(jì)算域的形狀尺寸、網(wǎng)格劃分方式、湍流模型選取和邊界條件設(shè)置等計(jì)算策略進(jìn)行深入細(xì)致的考慮。

2) 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器斜流工況數(shù)值模擬難度更高，其難點(diǎn)在于采用何種數(shù)值計(jì)算策略。對(duì)此，應(yīng)設(shè)計(jì)出一種不同于普通直流工況的適用于任何偏轉(zhuǎn)角工況的數(shù)值計(jì)算域形狀并設(shè)定合適的尺寸，在符合模型試驗(yàn)真實(shí)情況的前提下保證計(jì)算域入口進(jìn)流及出口尾流的質(zhì)量守恒；同時(shí)，邊界條件及求解方法設(shè)置等也需特殊考量。

這里主要對(duì)斜流工況數(shù)值計(jì)算策略進(jìn)行研究，并對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器多偏轉(zhuǎn)角工況下的敞水水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值模擬；同時(shí)，為驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算策略的可靠性及精確性，在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所拖曳水池中進(jìn)行全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器多偏轉(zhuǎn)角工況的敞水模型試驗(yàn)，并繪制性能曲線；最后，依據(jù)數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果，對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器多偏角工況下的敞水水動(dòng)力特性進(jìn)行分析，選取具有代表性的3個(gè)不同進(jìn)速(0.5 m/s,1.5 m/s,2.5 m/s)，對(duì)不同偏轉(zhuǎn)角工況下全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的各項(xiàng)水動(dòng)力系數(shù)進(jìn)行比較分析，總結(jié)不同進(jìn)速范圍內(nèi)偏轉(zhuǎn)角對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器水動(dòng)力性能的影響規(guī)律和進(jìn)速對(duì)水動(dòng)力系數(shù)隨偏轉(zhuǎn)角變化規(guī)律(包括變化趨勢(shì)、變化劇烈程度)的影響。

1 數(shù)值模擬及模型試驗(yàn)研究

1.1 幾何模型建立

研究的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器模型由Ka4-7010螺旋槳、No.19A導(dǎo)管、吊艙包及雙導(dǎo)流翼等4部分組成，其中：Ka4-7010螺旋槳的主要參數(shù)見表1；No.19A導(dǎo)管的剖面形狀見圖1。

表1 Ka4-7010螺旋槳主要參數(shù)

應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)前處理軟件Gambit，在直角坐標(biāo)系中建立全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器幾何模型見圖2。

圖2中,全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器模型偏轉(zhuǎn)角度為0°，此時(shí)推進(jìn)器各部件的中軸線與x軸重合。在斜流狀態(tài)下，推進(jìn)器繞y軸旋轉(zhuǎn)，此時(shí)中軸線在O-xz平面內(nèi)與x軸成一定角度。偏轉(zhuǎn)角繞y軸按左手法則取為正向。

1.2 數(shù)值計(jì)算策略

對(duì)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器多偏轉(zhuǎn)角數(shù)值計(jì)算策略進(jìn)行研究。

1.2.1 計(jì)算域與網(wǎng)格劃分

數(shù)值計(jì)算域分為：螺旋槳旋轉(zhuǎn)域、過渡計(jì)算域及外部計(jì)算域等3部分,其中:螺旋槳旋轉(zhuǎn)域和過渡計(jì)算域由于流場(chǎng)物理量分布變化劇烈，采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法；外部計(jì)算域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分方法。全部計(jì)算域及過渡計(jì)算域、螺旋槳旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格劃分情況見圖3和圖4。

這里采用的數(shù)值計(jì)算域形狀為圓柱體與長(zhǎng)方體的復(fù)合體。圖3中圓柱體高AC=EG，約為15倍螺旋槳模型直徑；圓柱體半徑OA=OE，約為20倍螺旋槳模型直徑；長(zhǎng)方體高與圓柱體高相同，AC=BD=FH=EG，約為15倍螺旋槳模型直徑；長(zhǎng)BF=HD，約為30倍螺旋槳模型直徑；寬AB=CD=EF=GH，約為10倍螺旋槳模型直徑。過渡計(jì)算域?yàn)橐恢睆胶透呔鶠?倍螺旋槳模型直徑的圓柱體；螺旋槳旋轉(zhuǎn)域形狀為類圓柱體，最大直徑約為1.003倍螺旋槳模型直徑。

全部計(jì)算域網(wǎng)格共劃分為2 165 680個(gè)，偏斜率>0.8的網(wǎng)格單元數(shù)為47個(gè)，偏斜率>0.97的網(wǎng)格單元數(shù)為0，網(wǎng)格質(zhì)量達(dá)到要求。在全部計(jì)算域網(wǎng)格中螺旋槳計(jì)算域網(wǎng)格劃分為758 013個(gè)，偏斜率>0.8的網(wǎng)格單元數(shù)為41個(gè)；過渡計(jì)算域網(wǎng)格劃分為1 205 636個(gè)，偏斜率>0.8的網(wǎng)格單元數(shù)為6個(gè)；外部計(jì)算域網(wǎng)格劃分為202 031個(gè)，偏斜率>0.8的網(wǎng)格單元數(shù)量為0。

1.2.2 邊界條件、求解方法設(shè)置

計(jì)算域的入口邊界(即平面BDHF)設(shè)置為速度入口“Velocity-inlet”，出口邊界(即曲面ACGE)設(shè)置為壓力出口“Pressure-outlet”;計(jì)算域上下底面、平面ACDB及平面EFHG設(shè)置為對(duì)稱面“Symmetry”;全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器各部件(包括螺旋槳、導(dǎo)管、吊艙及雙導(dǎo)流翼)設(shè)置為壁面“wall”，并滿足壁面無(wú)滑移條件。用入口速度對(duì)整個(gè)流場(chǎng)進(jìn)行初始化。湍流強(qiáng)度設(shè)置為1%，湍流耗散比設(shè)置為1。螺旋槳旋向?yàn)橛倚?，旋轉(zhuǎn)速度為61 r/s。速度耦合方式選為“SIMPLE”，其他項(xiàng)均采用二階迎風(fēng)差分格式離散，壓力插值方法選擇“PRESTO”，湍流模型選擇RNGk-ε模型。

1.3 模型試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證采取數(shù)值計(jì)算策略的可靠性及精確性，在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所拖曳水池中進(jìn)行全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器多偏轉(zhuǎn)角(0°,±5°,±10°)下的工況敞水模型試驗(yàn)。

1.3.1 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器模型由螺旋槳、導(dǎo)管、吊艙和雙導(dǎo)流翼等部件組裝而成。螺旋槳模型材料為鋁合金，其各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。導(dǎo)管、凸臺(tái)、吊艙艙體和吊柱材料采用有機(jī)玻璃，導(dǎo)管模型參數(shù)如表2所示。模型組裝完畢后，在水平方向上導(dǎo)管與O-yz平面呈5°夾角(對(duì)應(yīng)坐標(biāo)系如圖1)，導(dǎo)管上方裝有數(shù)控機(jī)床加工的凸臺(tái)，可滿足導(dǎo)管安裝角度要求。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器試驗(yàn)?zāi)Ｐ驼w安裝見圖5。

1.3.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)按照ITTC 2008推薦的吊艙推進(jìn)器試驗(yàn)程序進(jìn)行。螺旋槳軸與水面平行，螺旋槳浸深大于1.5倍螺旋槳模型直徑。全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器模型安裝在吊艙動(dòng)力儀上進(jìn)行，推進(jìn)器各部分推力(螺旋槳推力、導(dǎo)管力和推進(jìn)單元推力等)、拖車行進(jìn)方向上的軸向力和側(cè)向力及螺旋槳的扭矩等由吊艙動(dòng)力儀的六分力天平測(cè)量。拖車配有計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)測(cè)量階段保持恒定，采樣完成后減速至停止。

1.3.3 試驗(yàn)裝置

該試驗(yàn)在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所拖曳水池中進(jìn)行，水池長(zhǎng)192.0 m，寬10.0 m，深4.2 m。

4)試驗(yàn)方案

試驗(yàn)在常壓條件下進(jìn)行。螺旋槳為右旋槳，轉(zhuǎn)速設(shè)定為21 r/s；試驗(yàn)水溫10.6 ℃；水密度ρ=101.92 kgf/m3。試驗(yàn)內(nèi)容如下。

(1)偏轉(zhuǎn)角為0°，分別取0 m/s，0.25 m/s，0.50 m/s，0.75 m/s，1.00 m/s，1.25 m/s，1.50 m/s，1.75 m/s，2.00 m/s，2.25 m/s，2.50 m/s，2.75 m/s，3.00 m/s，3.25 m/s，3.50 m/s等15個(gè)來流速度進(jìn)行試驗(yàn)；

(2)偏轉(zhuǎn)角±5°，分別取0 m/s，0.25 m/s，0.50 m/s，0.75 m/s，1.00 m/s，1.25 m/s，1.50 m/s，1.75 m/s，2.00 m/s，2.25 m/s，2.50 m/s，2.75 m/s，3.00 m/s，3.25 m/s，3.50 m/s等15個(gè)來流速度進(jìn)行試驗(yàn)。

(3)偏轉(zhuǎn)角為±10°，分別取0 m/s，0.25 m/s，0.50 m/s，0.75 m/s，1.00 m/s，1.25 m/s，1.50 m/s，1.75 m/s，2.00 m/s，2.25 m/s，2.50 m/s，2.75 m/s，3.00 m/s，3.25 m/s，3.50 m/s等15個(gè)來流速度進(jìn)行試驗(yàn)。

1.3.5 試驗(yàn)進(jìn)行情況

各偏轉(zhuǎn)角下的全回轉(zhuǎn)推進(jìn)試驗(yàn)單元和試驗(yàn)進(jìn)行情況見圖6～圖11。

1.3.6 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器進(jìn)行敞水預(yù)報(bào)的原始數(shù)據(jù)有螺旋槳推力T1、螺旋槳扭矩Q、導(dǎo)管力T2、推進(jìn)單元力Tuo及側(cè)向力TL等。應(yīng)用下列無(wú)因次化公式對(duì)試驗(yàn)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器模型各項(xiàng)水動(dòng)力系數(shù)試驗(yàn)值并繪制曲線(縱坐標(biāo)為各項(xiàng)水動(dòng)力系數(shù)、橫坐標(biāo)為進(jìn)速系數(shù)，側(cè)向力系數(shù)曲線獨(dú)立繪出)見圖12。

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

其式(1)～(7)中：J為進(jìn)速系數(shù)；KT為螺旋漿推力系數(shù)；KTd為導(dǎo)管推力系數(shù)；KTuo為推進(jìn)單元推力系數(shù)；KTL為側(cè)向力系數(shù)；KQ為扭矩系數(shù)；ηo為敞水效率；V為來流速度；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速，取n=21 r/s；d為螺旋槳模型直徑，取d=0.175 m；ρ為水的密度，取ρ=101.92 kgf/m3；T1為螺旋槳推力；T2為導(dǎo)管力；Tuo為試驗(yàn)單元推力(推進(jìn)器整體推力)；Q為螺旋槳扭矩。

1.4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

數(shù)值計(jì)算結(jié)果的精確性很大程度上依賴于網(wǎng)格劃分的疏密程度。通過調(diào)節(jié)螺旋槳旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格劃分的疏密程度，采用4套疏密程度不同的網(wǎng)格，分別對(duì)進(jìn)速0.5 m/s,1.5 m/s,2.5 m/s(對(duì)應(yīng)進(jìn)速系數(shù)J分別為0.136，0.408,0.68)時(shí)直流工況下(偏轉(zhuǎn)角為0°)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器的水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)算，對(duì)該數(shù)值計(jì)算策略進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證(見表2～表4,其中第3套網(wǎng)格為本次計(jì)算所使用的網(wǎng)格)。

表2 J=0.136(V=0.5 m/s)時(shí)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

表3 J=0.408(V=1.5 m/s)時(shí)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

表4 J=0.68(V=2.5 m/s)時(shí)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證

由表2～表4可知，在數(shù)值計(jì)算精確度上，第3套網(wǎng)格相比第2套和第1套均有較大改善，而第4套網(wǎng)格相比第3套無(wú)較大改善，由此可判定第3套網(wǎng)格的數(shù)量已滿足網(wǎng)格無(wú)關(guān)性要求。

2 全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器多偏角工況水動(dòng)力特性分析

2.1 數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

各偏轉(zhuǎn)角工況下全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線見圖13～圖15。

由圖13～圖15可知，對(duì)螺旋槳推力系數(shù)KTp和扭矩系數(shù)KQ而言，全進(jìn)速范圍內(nèi)計(jì)算值稍大于試驗(yàn)值，兩者貼合性較好，計(jì)算誤差小；對(duì)導(dǎo)管推力系數(shù)KTd、推進(jìn)單元推力系數(shù)KTuo及敞水效率ηo而言，相對(duì)低進(jìn)速范圍內(nèi)計(jì)算值稍小于試驗(yàn)值，而相對(duì)高進(jìn)速范圍內(nèi)計(jì)算值要稍大于試驗(yàn)值，計(jì)算值與試驗(yàn)值貼合性稍差，但計(jì)算誤差在可接受范圍內(nèi)。數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，此處采取的計(jì)算策略具有較高的可靠性和計(jì)算精確性，能較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器模型多偏轉(zhuǎn)角工況下的敞水性能。

由以上各曲線可得出多偏角(0°,±5°,±10°)工況下全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器模型各項(xiàng)水動(dòng)力系數(shù)隨進(jìn)速的變化規(guī)律如下。

1) 螺旋槳推力系數(shù)KTp、導(dǎo)管推力系數(shù)KTd、推進(jìn)單元推力系數(shù)KTuo和扭矩系數(shù)10KQ均隨進(jìn)速的增大而減小。其中:KTp和10KQ在全進(jìn)速范圍內(nèi)隨進(jìn)速下降的趨勢(shì)較為平緩，變化范圍較小(KTp變化范圍為0.2～0.3,10KQ變化范圍為0.3～0.5)；而KTd和KTuo在全進(jìn)速范圍內(nèi)隨進(jìn)速下降的趨勢(shì)較為劇烈，變化范圍較大(KTd變化范圍為0～0.3,KTuo變化范圍為0.1～0.5)。

2)敞水效率ηo曲線為一類拋物線，各偏轉(zhuǎn)角下敞水效率ηo曲線均在進(jìn)速系數(shù)J≈0.5時(shí)達(dá)到峰值，計(jì)算值達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的進(jìn)速稍大于試驗(yàn)值達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的進(jìn)速。

2.2 進(jìn)速、偏轉(zhuǎn)角對(duì)水動(dòng)力性能影響分析

分別選取3個(gè)具有代表性的來流進(jìn)速0.5 m/s,1.5 m/s,2.5 m/s(對(duì)應(yīng)進(jìn)速系數(shù)J分別為0.136,0.408,0.680)，依據(jù)各進(jìn)速下全回轉(zhuǎn)推進(jìn)器模型各偏轉(zhuǎn)角工況下水動(dòng)力系數(shù)的計(jì)算值與試驗(yàn)值，對(duì)不同進(jìn)速下偏轉(zhuǎn)角對(duì)水動(dòng)力系數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行分析，得出進(jìn)速對(duì)水動(dòng)力系數(shù)隨偏轉(zhuǎn)角變化規(guī)律的影響。表5～表9給出進(jìn)速0.136,0.408,0.680時(shí)，各偏轉(zhuǎn)角下螺旋槳推力系數(shù)KTp、導(dǎo)管推力系數(shù)KTd、推進(jìn)單元推力系數(shù)KTuo、扭矩系數(shù)10KQ及敞水效率ηo的計(jì)算值與試驗(yàn)值，用百分比表示相對(duì)誤差。

表5 不同進(jìn)速系數(shù)、多偏轉(zhuǎn)角況下F螺旋槳推力系數(shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值

表6 不同進(jìn)速系數(shù)、多偏轉(zhuǎn)角工況下F導(dǎo)管推力系數(shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值

表7 不同進(jìn)速、多偏轉(zhuǎn)角工況下F推進(jìn)單元推力系數(shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值

表8 不同進(jìn)速、多偏轉(zhuǎn)角工況下F螺旋槳扭矩系數(shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值

表9 不同進(jìn)速、多偏轉(zhuǎn)角工況下F效率系數(shù)試驗(yàn)值與計(jì)算值

由表5可知:J=0.136(低進(jìn)速范圍)時(shí)，在偏轉(zhuǎn)角由-10°增大到10°的過程中，KTp趨勢(shì)呈小梯度遞減，隨偏轉(zhuǎn)角變化并不明顯；當(dāng)J=0.408(中進(jìn)速范圍)時(shí)，在偏轉(zhuǎn)角由-10°增大到10°的過程中，KTp呈小梯度先遞增后遞減趨勢(shì)，其在0°時(shí)達(dá)到峰值，隨偏轉(zhuǎn)角的絕對(duì)值增大而減??；當(dāng)J=0.680(高進(jìn)速范圍)時(shí)，在偏轉(zhuǎn)角由-10°增大到10°的過程中，KTp的變化規(guī)律與J=0.408時(shí)相同。進(jìn)速V對(duì)KTp隨偏轉(zhuǎn)角變化劇烈程度的影響低，但對(duì)變化趨勢(shì)有一定影響。

由表6可知:當(dāng)J=0.136(低進(jìn)速范圍)時(shí)，在偏轉(zhuǎn)角由-10°增大到10°的過程中，KTd呈小梯度遞減趨勢(shì)，其隨偏轉(zhuǎn)角的變化不明顯，但在偏轉(zhuǎn)角=10°時(shí)有少許上揚(yáng)；當(dāng)J=0.408(中進(jìn)速范圍)時(shí)，在偏轉(zhuǎn)角由-10°增大到10°的過程中，KTd呈小梯度折線變化趨勢(shì)，其在偏轉(zhuǎn)角=10°時(shí)達(dá)到峰值，在偏轉(zhuǎn)角=-5°時(shí)達(dá)到谷值；當(dāng)J=0.680(高進(jìn)速范圍)時(shí)，在偏轉(zhuǎn)角由-10°增大到10°的過程中，KTd趨勢(shì)呈類二次曲線變化，其在偏轉(zhuǎn)角=0°時(shí)達(dá)到谷值，隨偏轉(zhuǎn)角絕對(duì)值增大而增大，偏轉(zhuǎn)角為正時(shí)大于偏轉(zhuǎn)角為負(fù)時(shí)。不同進(jìn)速下，KTd隨偏轉(zhuǎn)角變化的趨勢(shì)也不同，變化的劇烈程度也存在差異。

由表7可知:在3個(gè)不同進(jìn)速下，KTuo具有相同的類拋物線變化趨勢(shì)，其在0°時(shí)達(dá)到峰值，隨偏轉(zhuǎn)角絕對(duì)值的增大而減小，而其隨偏轉(zhuǎn)角變化劇烈程度隨進(jìn)速增大而提高。進(jìn)速對(duì)KTuo隨偏轉(zhuǎn)角變化趨勢(shì)無(wú)明顯影響，但對(duì)變化劇烈程度影響較大。

由表8可知:當(dāng)J=0.136(低進(jìn)速范圍)時(shí)，在偏轉(zhuǎn)角由-10°增大到10°的過程中，10KQ呈小梯度遞減趨勢(shì)，其隨偏轉(zhuǎn)角變化并不明顯；當(dāng)J=0.408(中進(jìn)速范圍)時(shí)，在偏轉(zhuǎn)角由-10°增大到10°的過程中，10KQ呈微小梯度遞增趨勢(shì)；當(dāng)J=0.68(高進(jìn)速范圍)時(shí)，在偏轉(zhuǎn)角由-10°增大到10°的過程中，10KQ趨勢(shì)呈微小梯度先遞增后遞減，其在偏轉(zhuǎn)角=0°時(shí)達(dá)到峰值，隨偏轉(zhuǎn)角絕對(duì)值的增大而減小，但變化的幅度非常小。與KTp相似，進(jìn)速V對(duì)10KQ受偏轉(zhuǎn)角變化劇烈程度的影響并不大，但對(duì)變化趨勢(shì)有一定影響。

由表9可知:ηo與KTuo類似，在3個(gè)進(jìn)速下，具有相同的類拋物線變化趨勢(shì)，其在偏轉(zhuǎn)角=0°時(shí)達(dá)到峰值，隨偏轉(zhuǎn)角絕對(duì)值的增大而減小。進(jìn)速的影響體現(xiàn)為ηo隨偏轉(zhuǎn)角變化劇烈程度的差異，當(dāng)J=0.408(中進(jìn)速范圍)時(shí)ηo隨偏轉(zhuǎn)角變化劇烈程度最高，計(jì)算值與試驗(yàn)值曲線曲率最大，當(dāng)J=0.136(低進(jìn)速范圍)時(shí)次之，當(dāng)J=0.68(高進(jìn)速范圍)時(shí)最小。與KTuo相似，進(jìn)速對(duì)ηo隨偏轉(zhuǎn)角變化趨勢(shì)無(wú)明顯影響，但對(duì)變化劇烈程度影響較KTuo更大。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過上述試驗(yàn)與計(jì)算，可分析得到以下結(jié)論：

1)這里采取的數(shù)值計(jì)算策略(包括計(jì)算域形狀、網(wǎng)格劃分方法及數(shù)量、邊界條件及求解方法設(shè)置等)，經(jīng)模型試驗(yàn)驗(yàn)證具有較高的模擬精度及可靠性。

2)在各偏轉(zhuǎn)角工況下，水動(dòng)力系數(shù)(如KTp,KTd,KTuo,10KQ)均隨進(jìn)速的增大而下降,其中:KTp和10KQ的下降趨勢(shì)較為平緩，變化范圍較?。欢鳮Td和KTuo的下降趨勢(shì)較劇烈，變化范圍較大；ηo曲線在J約為0.5時(shí)達(dá)到峰值，計(jì)算值達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)的進(jìn)速稍大于試驗(yàn)值達(dá)到峰值時(shí)對(duì)應(yīng)進(jìn)速。

3)不同進(jìn)速下各項(xiàng)水動(dòng)力系數(shù)隨偏轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)基本上體現(xiàn)為遞增、遞減、類二次曲線及折線等。進(jìn)速V對(duì)各項(xiàng)水動(dòng)力系數(shù)隨偏轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)及變化劇烈程度有著不同程度的影響。

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Research on Hydrodynamic Performance of Azimuth Thruster Under Multiple Turning-Angle Working Conditions

ZHANGWencan,DONGGuoxiang,CHENWeimin

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship&Shipping Research Institute, Shanghai 200135, China)

The numerical simulation strategies of azimuth thruster under multiple turning-angle working conditions are researched and designed, and the hydrodynamic performance of which is numerically simulated using CFD software Fluent. In order to verify the validity of the above-mentioned numerical simulation strategies, model test of azimuth thruster under multiple turning-angle working conditions is conducted at the towing tank of SSSRI. It is through comparison of model test results with that of numerical simulation that the validity of the numerical simulation strategies are verified. Based on model test and numerical simulation results, the hydrodynamic performance of azimuth thruster under multiple turning-angle working conditions and at different velocities is analyzed, and the influence of turning angle and velocity on hydrodynamic performance of azimuth thruster is summarized.

azimuth thruster; turning-angle; hydrodynamic performance; numerical simulation; model test

2016-10-10

張文璨(1990—)，男，遼寧沈陽(yáng)人,博士生,主要從事船舶推進(jìn)器水動(dòng)力性能研究。

1674-5949(2017)01-0006-10

U664.3

A