中高速船自航因子數(shù)值預(yù)報(bào)方法

賴海清，常書平2，李明敏,方先進(jìn)

(1.廣州船舶及海洋工程設(shè)計(jì)研究院，廣州 510250；2.中國(guó)人民解放軍63983部隊(duì)， 江蘇 無錫 214035)

近年來，IMO推動(dòng)了船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，綠色造船和限制新船溫室氣體排放的措施逐漸引起了各界的關(guān)注[1]。通過船舶自航因子的預(yù)報(bào)，可以判斷船-機(jī)-槳匹配和評(píng)估船舶性能，從而降低能耗。對(duì)于船-槳-舵全耦合的數(shù)值模擬研究一直以來都是船舶CFD領(lǐng)域的難題。目前應(yīng)用最廣泛的強(qiáng)制自航法[2]在預(yù)報(bào)船舶自航性能時(shí)需要進(jìn)行若干不同螺旋槳轉(zhuǎn)速的計(jì)算，最終要對(duì)多個(gè)轉(zhuǎn)速下的結(jié)果進(jìn)行插值才能得到自航點(diǎn)的螺旋槳推進(jìn)性能，使得計(jì)算量增加，限制了該方法在船舶節(jié)能減排中的應(yīng)用。本文以某400 t工作船為研究對(duì)象，探討更高效的船舶自航因子預(yù)報(bào)方法。

1 船體全附體阻力預(yù)報(bào)

該船主要參數(shù)見表1。

表1 船型主要參數(shù)

利用流體計(jì)算軟件對(duì)目標(biāo)船在一定航速下的阻力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。

400 t船采用雙機(jī)、雙槳、雙舵、雙尾鰭形式，對(duì)全附體進(jìn)行建模，考慮到船體具有左右對(duì)稱的特性，為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，選擇半船進(jìn)行計(jì)算，以船舯作為鏡射面。入口處采用速度入流，出口則為壓力出口，船舯為對(duì)稱邊界條件，船體采用無滑移邊界條件。在船艏及船艉幾何變化大的地方進(jìn)行網(wǎng)格加密，而在船殼附近受邊界層影響的地方，則布有邊界層網(wǎng)格，以正確描述船殼的邊界層效應(yīng)。除了在船體附近加密外，在空氣與水的交界面(水線面)附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，并在水線面上以凱文波(Kelvin wave)的形狀進(jìn)行網(wǎng)格加密，以描述船在航行時(shí)所產(chǎn)生的波形。關(guān)于紊流模型的選擇，依照對(duì)迭模型的比較結(jié)果，選擇k-ω紊流模型。最終網(wǎng)格見圖1，網(wǎng)格數(shù)為396 萬(wàn)。

圖1 網(wǎng)格模型

將數(shù)值計(jì)算得到的船體阻力與試驗(yàn)阻力結(jié)果見表2。

表2 CFD阻力與試驗(yàn)阻力對(duì)比

計(jì)算結(jié)果表明，CFD計(jì)算結(jié)果普遍低于試驗(yàn)結(jié)果,CFD計(jì)算的總阻力和總阻力系數(shù)與模型試驗(yàn)吻合較好，相對(duì)偏差小于5%，滿足工程精度要求。

2 螺旋槳水動(dòng)力分析

2.1 螺旋槳快速建模及網(wǎng)格劃分

螺旋槳的曲面造型相對(duì)普通的曲面造型復(fù)雜，將 PropCAD軟件與犀牛(Rhino)軟件相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)螺旋槳的快速建模，見圖2。

圖2 螺旋槳建模

計(jì)算域網(wǎng)格可分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格亦稱映射網(wǎng)格，其生成的節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格元素的數(shù)量較少，模擬結(jié)果也較為精確，但遇到復(fù)雜的幾何外型時(shí)，需降低元素大小或以其他方式處理，建立網(wǎng)格的時(shí)間較長(zhǎng)；非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格則處理較復(fù)雜的幾何外型，其缺點(diǎn)則為結(jié)點(diǎn)和網(wǎng)格數(shù)量增加，且模擬的結(jié)果也會(huì)比結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格差。采用混合型網(wǎng)格，在外部流場(chǎng)使用六面體網(wǎng)格，而螺旋槳?jiǎng)t因復(fù)雜的幾何圖形，使用四面體網(wǎng)格，對(duì)螺旋槳槳葉采用局部加密處理，同時(shí)，為了更好地捕捉螺旋槳的所有外形特征，對(duì)其特征線均進(jìn)行規(guī)整的特征線網(wǎng)格加密[4]。最終全計(jì)算域共270.5萬(wàn)個(gè)網(wǎng)格。

2.2 邊界條件

1)入口邊界。速度入口進(jìn)場(chǎng)的部分，隨著進(jìn)速系數(shù)的不同給予相對(duì)的進(jìn)場(chǎng)速度。

2)出口邊界。 流場(chǎng)出口處設(shè)為壓力出口，表壓設(shè)置為0。

3)壁面邊界。內(nèi)部螺旋槳設(shè)為移動(dòng)壁面，但不具滑動(dòng)特性，且與旋轉(zhuǎn)的流場(chǎng)進(jìn)行相對(duì)地轉(zhuǎn)動(dòng)；外流場(chǎng)壁面設(shè)為對(duì)稱 。

2.3 CFD計(jì)算分析

螺旋槳敞水效率曲線由以下4個(gè)參數(shù)構(gòu)成。

將試驗(yàn)值與數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合，比較見圖3。

圖3 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對(duì)比

由圖3可見，kt、kq和ηo的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相當(dāng)接近，仿真結(jié)果較好，誤差約為3%。分析誤差認(rèn)為主要由物理模型與數(shù)字模型的偏差、試驗(yàn)與模擬工作條件不完全相同引起，但總體上兩者基本一致。該CFD方法模擬螺旋槳的敞水性能滿足實(shí)際工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用的要求。

3 船舶自航模擬及自航因子分析

建立船-槳-舵全耦合數(shù)值求解模型，見圖4。

圖4 自航計(jì)算完整模型

計(jì)算時(shí)將整個(gè)流域分成2個(gè)計(jì)算域，船體與舵均位于外邊的長(zhǎng)方體流域之中，螺旋槳位于內(nèi)部的槳域之中，2個(gè)子域之間通過滑移網(wǎng)格來實(shí)現(xiàn)子域之間流場(chǎng)信息的交換。通過對(duì)螺旋槳表面、舵等區(qū)域局部網(wǎng)格加密，螺旋槳內(nèi)部流域網(wǎng)格總數(shù)為137萬(wàn)，外部流域網(wǎng)格總數(shù)為460萬(wàn)，總網(wǎng)格數(shù)為597萬(wàn)。

利用CFD軟件結(jié)合隨體網(wǎng)格技術(shù)及自航宏文件可以實(shí)現(xiàn)船舶自航的數(shù)值模擬，螺旋槳轉(zhuǎn)速不同船舶穩(wěn)定自航速度也有所不同。基于上述情況，提出了一種自航點(diǎn)確定方法來得到目標(biāo)航速下的實(shí)船自航點(diǎn)以及船舶實(shí)效自航性能。具體方法如下。

1)依照船舶目標(biāo)航速及自身特點(diǎn)，預(yù)先給定船舶目標(biāo)航速，預(yù)估該航速下的螺旋槳自航轉(zhuǎn)速。

2)根據(jù)船型的特點(diǎn)，計(jì)算目標(biāo)速度Vm下的船體摩擦阻力修正值SFC，將其作為強(qiáng)制力Z施加在船體上，從而只需要克服螺旋槳產(chǎn)生的推力(Rt(SP) -SFC)。

3)對(duì)船舶在該速度下的自航進(jìn)行模擬。在計(jì)算過程中，船體承受螺旋槳產(chǎn)生推力和強(qiáng)制力Z以及船體阻力。軟件根據(jù)其合力結(jié)果自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速，直到船舶阻力Rt(SP)=螺旋槳推力T+強(qiáng)制力Z，達(dá)到最終平衡。由數(shù)值模擬得到船速V、螺旋槳推力T、船阻力Rt(SP)、螺旋槳轉(zhuǎn)矩QPROP和船舶轉(zhuǎn)矩QHULL。與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見圖5。

圖5 自航結(jié)果對(duì)比

由 CFD 計(jì)算得到18 kn航速時(shí)的自航推進(jìn)因子見表3。

表3 自航因子分析

圖6 自由液面波高

圖7 螺旋槳及舵葉壓力分布云圖

其中，敞水曲線采用了2.3的計(jì)算結(jié)果，自航推進(jìn)因子的求解方法采用的是 ITTC 推薦使用的等推力法。在所有 CFD 計(jì)算得到的系數(shù)與試驗(yàn)測(cè)量的比較當(dāng)中，最大誤差為相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率ηr，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值相比小5.71%，其他計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值吻合較好。平均誤差在 3.0%在左右。計(jì)算結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行自航推進(jìn)計(jì)算有效而且準(zhǔn)確。航速為2.729 m/s時(shí)的自由液面波高及螺旋槳舵葉壓力分布見圖6、7。

4 結(jié)論

1)船體的阻力及螺旋槳敞水性能計(jì)算和水池試驗(yàn)結(jié)果較為吻合，誤差在3%左右。

2)在自航因子預(yù)報(bào)上達(dá)到了較高的精度，其誤差在±5%，滿足工程精度的要求。

3)相比強(qiáng)制自航法，該方法不需要多次對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算后再去插值，而是在一次計(jì)算中，通過動(dòng)態(tài)調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速?gòu)亩勾w達(dá)到受力平衡，得到其自航點(diǎn)。

4)本文所述自航數(shù)值預(yù)報(bào)方法既能保證計(jì)算精度和穩(wěn)定性，又能縮短計(jì)算時(shí)間，是基于 CFD 的實(shí)船功率/航速預(yù)報(bào)的技術(shù)準(zhǔn)備，同時(shí)也為今后更加深入研究改善推進(jìn)性能、優(yōu)化附體設(shè)計(jì)及改進(jìn)船型工作提供技術(shù)手段。