高速船中軸支架剖面角度優(yōu)選設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鄭敏敏， 楊 帆， 董國祥

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

高速船中軸支架剖面角度優(yōu)選設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

鄭敏敏， 楊 帆， 董國祥

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

為減小高速船中軸支架的附體阻力，改善艉流流場，采用支架與流線方向一致的方式，由于船尾流場和支架空間結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，因此實(shí)現(xiàn)支架剖面方向與流線方向一致較為困難。針對一艘軸支架尾形式的三槳高速船，通過采用模型試驗(yàn)與計(jì)算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)計(jì)算相結(jié)合的方式，進(jìn)行支架剖面角度的設(shè)計(jì)。分析不同支架方案的壓力分布變化，支架周圍的流場形態(tài)及支架后方螺旋槳伴流場，指出影響支架剖面角度設(shè)計(jì)的主要因素，并提出一套合理的支架剖面角度設(shè)計(jì)方法。

高速船推進(jìn);軸支架;船舶附體;計(jì)算流體動力學(xué)

0 引 言

高速船具有削瘦的船型特征，在設(shè)計(jì)上需借助一些附體來實(shí)現(xiàn)船舶動力設(shè)備的安裝布置和性能要求，如軸系支架、減搖鰭和呆木等。這一系列附體所產(chǎn)生的阻力在船舶總靜水阻力中占比較高，常規(guī)排水型高速船(Fr=0.4～0.5)的附體阻力占比為20%～40%。與其他附體相比，軸系支架帶來的阻力增加更為明顯。在一定速度范圍內(nèi)，軸系支架始終位于水面以下，隨著速度的增大(Fr>0.5)，船體抬升，船體濕表面積減小，軸系支架黏性阻力占比也相應(yīng)增加[1]。此外，由于軸支架緊鄰螺旋槳，在高航速情況下極易產(chǎn)生空泡，影響螺旋槳的進(jìn)流場，軸支架的設(shè)計(jì)對螺旋槳空泡脈動壓力存在較大影響。

支架臂的大小和角度是影響支架阻力大小的重要因素[2]，支架臂的剖面弦長和縱向角度(支架臂與槳軸之間的夾角)涉及到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的需要。美人架兩臂在yz面上的布置應(yīng)盡量避免伴流峰區(qū)域及與螺旋槳之間的諧振。支架臂自身的剖面旋轉(zhuǎn)角度與船后水流方向相關(guān)，由于支架受黏性的影響較大，較容易出現(xiàn)水流分離的情況，嚴(yán)重的水流分離不僅會增大阻力，而且會造成支架及軸系處螺旋槳出現(xiàn)各種空泡現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等問題[3]。該角度的選取應(yīng)盡可能與流線方向一致，但該要求在設(shè)計(jì)工作中較難實(shí)現(xiàn)。支架安裝在船后部位，由于前體船型及槳軸的影響，導(dǎo)致此處流場相對復(fù)雜。此外，支架具有多個(gè)角度和復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，提取該結(jié)構(gòu)某一方向上的空間流線角度是需解決的關(guān)鍵難題。

1 研究方法

較為常用的提取流線方向的方法有以下2種。

1) 流線試驗(yàn)方法。采用漆膜法，利用某種方式將三維流線轉(zhuǎn)化為二維流線，獲得大致的流線角度。

2) 計(jì)算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)可視化分析方法。通過對帶支架軸系等附體的船體進(jìn)行CFD計(jì)算，獲得船體表面與周圍的流線方向及支架臂的速度場分布，最后確定合適的支架縱向角度。

試驗(yàn)方法可直接獲取流線方向和角度方案，CFD可視化分析方法可更詳細(xì)地了解支架表面及周圍的流場狀態(tài)。但這2種方法均存在缺點(diǎn),其中流線試驗(yàn)方法存在2個(gè)問題:薄片的安裝存在誤差，由于水流的高速沖擊，薄片存在移動的風(fēng)險(xiǎn)；模型試驗(yàn)的流線提取存在主觀誤差。從CFD軟件中提取流線信息需進(jìn)行可視化處理，無法進(jìn)行數(shù)值提取，主要功能是提供定性分析。在該研究中，采用流線試驗(yàn)方法與CFD可視化分析方法相結(jié)合的方式。通過流線試驗(yàn)確定支架剖面的大致角度，通過CFD進(jìn)行方案比較，對角度進(jìn)行修正。

這里選擇一艘三槳高速船作為研究對象，采用漆膜法對該船進(jìn)行流線試驗(yàn)，提取各美人架支架臂位置的流線方向角，將提取的流線結(jié)果作為CFD計(jì)算中支架剖面角度方案選擇的基礎(chǔ)。對各角度方案CFD計(jì)算的結(jié)果進(jìn)行比較分析，得出支架剖面的理想設(shè)計(jì)角度及影響支架剖面角度設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素。

2 模型試驗(yàn)及支架角度方案CFD計(jì)算

該船舶為一艘三槳支架尾船舶，含有6個(gè)支架臂，由于左右舷對稱，一個(gè)角度方案涉及3個(gè)支架臂的角度。理論上，由于螺旋槳的抽吸作用，螺旋槳對近前端的來流會產(chǎn)生一定的誘導(dǎo)速度，但對近前段的定義沒有確切的描述。研究中,通過CFD方法對在船舶帶槳和不帶槳情況下的前方來流進(jìn)行比較，螺旋槳對支架處來流的軸向速度存在較小影響，對橫向伴流幾乎沒有影響，因此對支架來流的分析不考慮螺旋槳的影響，模型流線試驗(yàn)和CFD計(jì)算均在不帶螺旋槳的情況下進(jìn)行。

為得到較準(zhǔn)確的試驗(yàn)結(jié)果，對左右兩側(cè)的所有支架臂進(jìn)行空間流線提取。支架處流線提取的示意圖見圖1，并定義右舷側(cè)從外向里的3個(gè)支架臂分別為①號臂、②號臂和③號臂(①號臂和②號臂為邊軸支架臂，③號臂為中間軸支架臂)。在試驗(yàn)研究中，支架臂被換成簡易的細(xì)圓柱形臂桿，臂桿中間嵌入涂好漆膜的薄片，船模在行進(jìn)過程中，油漆在薄片上沿水流方向留下運(yùn)動軌跡，以此確定支架剖面的角度。通過流線試驗(yàn)，綜合左右舷側(cè)的角度結(jié)果，得出3個(gè)角度分別為①號臂10°，②號臂7°和③號臂17°。

這里采用數(shù)值計(jì)算軟件STAR CCM+完成相關(guān)的CFD黏性計(jì)算，計(jì)算過程均在船舶帶軸系和支架的狀態(tài)下進(jìn)行，通過流線的可視化處理可得到支架臂表面的壓力分布情況、支架臂周圍的速度場、不同投影面上的流線方向和螺旋槳盤面處的速度場等。這里所有黏性計(jì)算均在模型尺度下進(jìn)行，既可節(jié)省計(jì)算時(shí)間，又便于與模型試驗(yàn)結(jié)果相比較。以模型試驗(yàn)結(jié)果為基礎(chǔ)選取3個(gè)角度方案，進(jìn)行CFD計(jì)算分析。在軸支架設(shè)計(jì)相關(guān)文獻(xiàn)中，建議支架臂的設(shè)計(jì)角度在2°～4°內(nèi)選取。測得的角度遠(yuǎn)大于該建議角度，在選取角度方案時(shí)，將試驗(yàn)角度值作為第一方案，其他方案的角度均小于該試驗(yàn)角度，3個(gè)方案的詳細(xì)角度值見表1，該角度方向定義為支架臂導(dǎo)邊繞參考線向槳軸外側(cè)旋轉(zhuǎn)。

表1 3個(gè)方案的詳細(xì)角度值

3 CFD可視化處理及結(jié)果分析

該船型的支架臂采用對稱零拱度的NACCA剖面，在理想狀態(tài)下，若剖面角度與流線方向一致，則剖面的進(jìn)流功角應(yīng)為0，剖面兩側(cè)的速度場以對稱形式呈現(xiàn)，此時(shí)阻力最小且升力為0。因此，在支架臂剖面角度與流線方向一致的情況下，支架臂兩側(cè)的速度場和壓力場分布均相同；反之，若剖面兩側(cè)的壓力分布差異較大，則說明支架臂的角度設(shè)計(jì)與流線方向偏差較大。

A方案、B方案、C方案的支架臂內(nèi)外兩側(cè)的壓力分布見圖2。在A方案中，3個(gè)支架臂的內(nèi)側(cè)水動壓力均大于外側(cè)，即外側(cè)水流速度大于內(nèi)側(cè)，說明支架臂導(dǎo)邊向軸外側(cè)偏移過大，設(shè)計(jì)角度偏大，其中③號臂最明顯，②號臂剖面角度偏差最小。在B方案中，③號臂的內(nèi)外側(cè)壓力分布比較接近，①號臂和②號臂兩側(cè)的壓力分布與A方案完全相反，內(nèi)側(cè)水流速度大于外側(cè)水流速度，翼型攻角為A方案相反方向，說明①號臂和②號臂的最佳角度是A方案和B方案中間的一個(gè)角度。在C方案中,3個(gè)支架臂內(nèi)側(cè)低壓區(qū)更加明顯，在B方案的基礎(chǔ)上加劇了支架臂兩側(cè)的壓力差，說明支架臂角度明顯偏小。

除支架臂表面的壓力分布圖之外，提取經(jīng)過支架臂的水流流線圖，通過觀察水流經(jīng)過支架臂的變化情況，了解支架臂角度對水流的影響。在3個(gè)方案中，中軸支架臂(即③號臂)的選取角度差異最大，對水流方向的影響最大，便于觀察。船體仰視圖(見圖3)給出中軸支架附近的流線狀態(tài)，箭頭線表示支架前方來流的原始流動方向。在支架后方，箭頭線與流線之間的角度差異說明支架臂對水流方向有影響。在A方案和C方案中，支架前后的水流方向改變比較明顯，A方案因支架臂角度過大致使水流向內(nèi)收，在該視圖中加大了水流與槳軸之間的夾角；C方案的情況與A方案相反，前方水流原本具有明顯的內(nèi)偏角，經(jīng)過支架臂后，內(nèi)偏角減小，幾乎為0°。相對而言，B方案的支架臂未對水流方向造成明顯的影響，即B方案的中軸支架臂剖面角度與流線角度吻合度較高。

當(dāng)支架臂角度方向與來流方向存在較大差異時(shí)，將形成較大的翼型攻角，水流方向發(fā)生突變，嚴(yán)重的情況下將導(dǎo)致水流分離，空泡現(xiàn)象明顯，該差異體現(xiàn)在船支架后方的艉流場上。3個(gè)支架方案的槳盤面處伴流速度場見圖4，由于C方案的支架臂兩側(cè)存在嚴(yán)重的壓力差，槳盤面伴流場出現(xiàn)明顯的流態(tài)分離，在方案A的中軸槳盤面和B方案的邊軸槳盤面也出現(xiàn)壓力梯度急劇變化的現(xiàn)象。

綜合上述分析評估，①號臂理想角度約為8°，②號臂理想角度約為6°，③號臂最佳角度約為9°。與模型試驗(yàn)結(jié)果相比較，除③號臂角度相差較大之外，邊軸的①號臂和②號臂的CFD評估角度與模型試驗(yàn)的角度接近。

在以往的支架角度設(shè)計(jì)工作中，艉流場的流線狀態(tài)及方向是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)。由船底的流線狀態(tài)(見圖5)可知，支架臂前方的來流與船長方向的夾角較小，在0°～4°范圍內(nèi)。有關(guān)支架型雙槳高速船的文獻(xiàn)建議支架臂剖面角度內(nèi)側(cè)為0°～2°，外側(cè)為2°～4°，與水流方向角相吻合。模型試驗(yàn)和CFD評估的結(jié)果均表明該船的支架臂理想角度顯著大于該角度范圍，實(shí)際設(shè)計(jì)角度范圍為6°～9°。通過對支架臂的剖面進(jìn)行分析可知，水流經(jīng)過支架臂的實(shí)際剖面角度和定義的剖面設(shè)計(jì)角度不同，理想的設(shè)計(jì)是使支架臂的實(shí)際剖面角度方向與流線方向一致，而不是使設(shè)計(jì)角度等于水流的方向角，支架角度的設(shè)計(jì)不僅與來流方向有關(guān)，還與其他因素有關(guān)。

支架自身具有多個(gè)方向的設(shè)計(jì)角度，同時(shí)又受槳軸的空間角度影響，與船后水流形成非常復(fù)雜的相對空間關(guān)系。在對某船進(jìn)行美人架支架臂旋轉(zhuǎn)角度設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮來流方向、支架臂空間結(jié)構(gòu)形式和槳軸安裝角度等影響。為更直觀地說明水流方向和槳軸角度對實(shí)際有效剖面角度的影響，通過視圖軟件的剖面提取，給出支架臂在不同水流方向和槳軸角度下的實(shí)際有效剖面，比較圖見圖6～圖9。

該船的支架臂設(shè)計(jì)角度均為0°，支架臂與槳軸的xz面投影設(shè)計(jì)角度為68°，假設(shè)槳軸沿船長方向水平安裝，來流為沿船長方向的水平均勻流場(見圖6a))，則支架臂與水流在xz面的投影角度為68°。根據(jù)視圖軟件，沿來流方向水平切出的剖面(見圖6b))，圖中形成的剖面角度與設(shè)計(jì)剖面角度一致，約為0°。

當(dāng)槳軸傾角為4°時(shí)，支架臂與來流在xz面的投影夾角變?yōu)?2°(見圖7a))，水平來流與支架臂的相關(guān)剖面形狀發(fā)生變化，剖面角度也相應(yīng)地發(fā)生變化(見圖7b))，即實(shí)際有效剖面的角度(簡稱為“水流剖面角度”)不為0°。當(dāng)槳軸存在一定的安裝角度時(shí)，水流剖面角度并不等于設(shè)計(jì)剖面角度。

在真實(shí)情況中，船后來流方向并不是水平的，均存在一定的上行角，若給定4°水流上行角(見圖8a))，則支架臂與水流的投影夾角為76°，來流與支架臂的相關(guān)剖面形狀再次發(fā)生變化，即水流剖面角度也相應(yīng)改變。

綜上可知，槳軸的下傾角和水流方向均對水流剖面產(chǎn)生一定影響，且向設(shè)計(jì)角度的反方向變化。按照圖8中的切面方法對該船支架A方案～C方案的某處提取相應(yīng)的水流剖面和速度場(見圖9)。在A方案中，與設(shè)計(jì)角度相比，水流剖面角度均相應(yīng)減小，②號臂的剖面角度幾乎為0°；在B方案中，②號臂變?yōu)榉聪蚪牵尧偬柋酆廷厶柋鄣乃髌拭娼嵌冗M(jìn)一步變??；在C方案中，3個(gè)支架臂的設(shè)計(jì)角度均為0°，但流線剖面角度均為反向角。從剖面兩側(cè)的水流速度場方面看，與水流方向偏離大的剖面的兩側(cè)形成差異較大的速度場，均與前文中的壓力分布圖對應(yīng)，速度大的一側(cè)為低壓區(qū)，速度小的一側(cè)為高壓區(qū)。

由此可知，支架臂剖面的設(shè)計(jì)角度與水流剖面角度完全不同，僅當(dāng)水流剖面角度與支架來流的角度一致時(shí)，才能使設(shè)計(jì)效果達(dá)到最優(yōu)，支架臂剖面的設(shè)計(jì)角度與水流剖面角度之間存在相當(dāng)復(fù)雜的幾何關(guān)系。水流剖面角度會受到槳軸安裝角度、船舶縱傾角和艉流方向的影響，即使通過CFD可視化分析獲得了裸船體周圍的流場方向，確定了水流剖面角度的最佳角度，仍無法確定水流剖面角度與剖面設(shè)計(jì)角度之間的關(guān)系?？尚械脑囼?yàn)方法是采用流線試驗(yàn)方法，其中薄片的安裝方向非常重要，必須確保水流在薄片上形成的流線方向與參考線的夾角即為支架臂的剖面設(shè)計(jì)角度，在實(shí)際安裝中較難實(shí)現(xiàn)，且在船舶高速行駛時(shí)水流的沖擊可能會導(dǎo)致薄片發(fā)生變形或移位，造成測量誤差。另一種方式是通過CFD進(jìn)行多方案的比較，確定較優(yōu)的角度方案。在進(jìn)行某些垂直方向或水平方向的支架臂設(shè)計(jì)時(shí)，由于其空間關(guān)系相對簡單，可直接計(jì)算出水流剖面角度與設(shè)計(jì)剖面角度的空間關(guān)系，如垂直單臂支架。但通常情況下，美人架的支架臂不會設(shè)計(jì)在螺旋槳的12點(diǎn)鐘方向和9點(diǎn)鐘方向(右舷側(cè))。12點(diǎn)鐘方向?yàn)榘榱鞣逯祬^(qū)域，該處安裝支架臂會顯著增加伴流峰，對螺旋槳空泡及噪聲產(chǎn)生不利影響；9點(diǎn)鐘方向也只能在有固定位置的情況下安裝，如呆木。

4 結(jié) 語

支架來流在水平面上的偏向角不能作為支架臂剖面的最優(yōu)設(shè)計(jì)角度，只有當(dāng)水流流經(jīng)支架臂的水流剖面角度與來流的角度一致時(shí)，才能使設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)效果。支架臂的設(shè)計(jì)角度與水流剖面角度存在復(fù)雜的幾何關(guān)系，和槳軸安裝角度、船舶縱傾角及艉流方向等相關(guān)。目前可通過流線試驗(yàn)或CFD方案優(yōu)選的方式確定支架臂的最佳設(shè)計(jì)角度，但流線試驗(yàn)存在安裝定位及人為因素導(dǎo)致的誤差，CFD方法也只能定性地分析出近似值。

[1] RANDOLPH P J. The Principles of Naval Architecture Series: Ship Resistance and Flow[M]. New Jercy: The Society of Naval Architects and Marine Engineers, 2010:179-181.

[2] 金輔華. 水面艦船附體設(shè)計(jì)[J]. 艦船科學(xué)技術(shù),1984(6):3-14.

[3] 黃紅波，許暉，王建芳，等. 多槳船雙臂支架空泡性能優(yōu)化及其對螺旋槳空泡性能影響研究[J]. 中國造船，2015(2)：150-157.

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SectionAnglesOptimizationofPropellerShaftBracketonHighSpeedCraft

ZHENGMinmin,YANGFan,DONGGuoxiang

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

The propeller shaft bracket of the high speed craft should be designed so that its profile coincides with the streamlines around it to minimize its resistance and reduce its influence to the wake field. Because of the complexity of flow field and the bracket structure, it's challenging to achieve that. This paper develops a bracket section design through collectively performing Computational Fluid Dynamics(CFD) calculation and model tests for a tri-propeller high speed craft. The pressure distributions on the bracket, the flow patterns around the bracket and the wake fields for different bracket designs are analyzed. Main factors involved in the design of the bracket section are highlighted. A complete set of design procedure is proposed.

high speed craft propulsion； propeller shaft bracket； ship appendage； CFD

U661.1

A

2017-03-31

鄭敏敏(1985-),女,湖北荊門人,助理研究員,從事船舶水動力學(xué)研究。

1674-5949(2017)03-0001-06