某散貨船整流導(dǎo)管節(jié)能機(jī)理數(shù)值分析

杜云龍，陳偉民，張青山，楊 帆，陳昆鵬

(上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 a.航運(yùn)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；b.航運(yùn)技術(shù)與安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200135)

當(dāng)前，船舶節(jié)能減排是航運(yùn)界和造船界共同關(guān)注的熱點(diǎn)。船舶水動(dòng)力節(jié)能裝置是實(shí)現(xiàn)船舶節(jié)能減排的有效手段之一，具有節(jié)能效果顯著、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，受到船舶行業(yè)的廣泛關(guān)注。[1-2]目前，整流導(dǎo)管(Flow Straightening Duct,FSD)是新建船舶廣泛采用的一種節(jié)能裝置，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，不僅能應(yīng)用于新建船舶，而且可應(yīng)用于現(xiàn)有的營(yíng)運(yùn)船舶的改造。經(jīng)海上試航和長(zhǎng)期使用，綜合運(yùn)載情況、航速和海況等因素，其節(jié)能效果約可達(dá)5%。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該節(jié)能裝置在近30 a已在上千艘單槳船上使用。[2]

一直以來(lái)，F(xiàn)SD等節(jié)能附體的能效評(píng)估都是通過(guò)相應(yīng)的模型試驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的。[3]但是，隨著船舶計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)技術(shù)的不斷發(fā)展，采用CFD數(shù)值計(jì)算方法實(shí)現(xiàn)節(jié)能附體能效評(píng)估受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注,已成為該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。目前，有關(guān)CFD方法預(yù)報(bào)槳前節(jié)能附體能效的研究已取得一定的進(jìn)展[4-6]，主要借助CFD方法實(shí)現(xiàn)船舶阻力、螺旋槳敞水和船舶自航性能數(shù)值分析[7-8]，結(jié)合相關(guān)規(guī)程實(shí)現(xiàn)船舶推進(jìn)性能預(yù)報(bào)和節(jié)能附體能效評(píng)估。分析整流節(jié)能附體節(jié)能機(jī)理和尺度效應(yīng)等，但目前CFD計(jì)算方法的計(jì)算精度和穩(wěn)定性尚存在一些問(wèn)題，無(wú)法完全取代模型試驗(yàn)，CFD計(jì)算方法本身需經(jīng)由更多的探索研究和模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證來(lái)改進(jìn)和完善，對(duì)FSD的節(jié)能機(jī)理尚需進(jìn)一步分析。因此，本文以一艘散貨船為研究對(duì)象，研究FSD能效CFD計(jì)算方法，提升數(shù)值計(jì)算精度，分析整流導(dǎo)管對(duì)船舶阻力、流場(chǎng)和自航因數(shù)的影響及其節(jié)能機(jī)理，為FSD設(shè)計(jì)提供參考。

1 數(shù)值方法

1.1 控制方程

流場(chǎng)中的控制方程為不可壓縮流體的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程，分別為

(1)

(2)

對(duì)于湍流模型的選取[8]，本文在計(jì)算中采用剪切應(yīng)力輸運(yùn)(SSTk-w)模型，方程式為

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：Gk和Gw為湍流的生成項(xiàng)；Yk和Yw為湍流耗散項(xiàng)；Γk和Γw為k和w的擴(kuò)散系數(shù)；Dw為交叉項(xiàng)；Sk和Sw為用戶(hù)自定義的源項(xiàng)；方程中具體各項(xiàng)表達(dá)式和模型參數(shù)情況見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

1.2 計(jì)算域

在數(shù)值計(jì)算中，計(jì)算域采用長(zhǎng)方形計(jì)算域，船模阻力數(shù)值計(jì)算考慮自由液面的影響，計(jì)算域選取情況見(jiàn)圖1。計(jì)算域邊界選取和邊界條件設(shè)置情況如下：

1) 前端——船模艏部向前約2倍船長(zhǎng)，邊界條件設(shè)置為速度入口，給定來(lái)流速度。

2) 后端——船模艉部向后約3倍船長(zhǎng)，邊界條件設(shè)置為速度出口邊界條件。

3) 兩側(cè)邊界——船模舷側(cè)方向約2倍船長(zhǎng)，邊界條件設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界。

4) 上邊界——船模最大型深向上約1倍船長(zhǎng)，邊界條件設(shè)置為可滑移壁面邊界條件。

5) 下邊界——船模底部向下約2倍船長(zhǎng)，邊界條件設(shè)置為可滑移壁面邊界條件。

6) 船模、舵和節(jié)能附體，邊界條件設(shè)置為壁面邊界條件，滿(mǎn)足壁面無(wú)滑移假定。

圖1 船模阻力計(jì)算域情況示意

對(duì)船模進(jìn)行自航數(shù)值計(jì)算，同時(shí)為節(jié)省計(jì)算時(shí)間，將研究重點(diǎn)放在前置導(dǎo)管節(jié)能效果數(shù)值研究上，在船模自航數(shù)值模擬中不考慮自由表面的影響，即采用疊模法來(lái)求解。在進(jìn)行自航計(jì)算時(shí)，計(jì)算域同樣采用長(zhǎng)方形計(jì)算域，計(jì)算域選取情況見(jiàn)圖2。計(jì)算域尺度和邊界條件設(shè)置情況如下：

圖2 船模自航計(jì)算域情況示意

(1) 計(jì)算域前端、后端、兩側(cè)邊界、下邊界尺寸和邊界條件與阻力數(shù)值計(jì)算時(shí)相同。

(2) 上邊界設(shè)定在船體設(shè)計(jì)吃水處，設(shè)置為對(duì)稱(chēng)邊界條件。

(3) 自航計(jì)算考慮螺旋槳真實(shí)幾何模型，螺旋槳葉表面設(shè)置為壁面條件，滿(mǎn)足壁面無(wú)滑移假定。

(4) 劃分包圍螺旋槳的圓柱形區(qū)域，圓柱直徑為1.15倍螺旋槳直徑，在自航計(jì)算中繞螺旋槳軸作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，旋轉(zhuǎn)區(qū)域與外部流場(chǎng)區(qū)域采用交接面方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。

1.3 網(wǎng)格劃分情況

本文采用的網(wǎng)格形式為混合網(wǎng)格，針對(duì)船體、螺旋槳和節(jié)能附體等關(guān)鍵流場(chǎng)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，計(jì)算域內(nèi)大部分區(qū)域采用結(jié)構(gòu)比較規(guī)則的六面體網(wǎng)格，在船體艏艉、節(jié)能附體幾何形狀復(fù)雜的區(qū)域和較密網(wǎng)格與較粗網(wǎng)格之間的過(guò)渡區(qū)域，采用多面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格過(guò)渡。為保證壁面附近的網(wǎng)格質(zhì)量，在船、槳、舵和節(jié)能附體表面劃分較精細(xì)的邊界層網(wǎng)格。

船模阻力數(shù)值計(jì)算中考慮自由液面的影響，對(duì)自由面附近區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密處理，計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格總數(shù)約為200萬(wàn)個(gè)。網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖3。

圖3 船模阻力數(shù)值計(jì)算網(wǎng)格劃分情況

船模自航數(shù)值計(jì)算不考慮自由液面的影響，去掉自由液面網(wǎng)格加密帶，進(jìn)一步對(duì)船體艉部螺旋槳附近區(qū)域進(jìn)行加密處理，計(jì)算域內(nèi)網(wǎng)格單元總數(shù)約為300萬(wàn)個(gè)。計(jì)算域及網(wǎng)格劃分情況見(jiàn)圖4。

1.4 計(jì)算參數(shù)設(shè)置

1) 湍流模式：數(shù)值計(jì)算中選取的湍流模型為SSTk-w模型。

2) 自由面處理方法：在船模阻力計(jì)算中，自由表面數(shù)值方法采用VOF(Volume Of Fluid)方法。

3) 壓力與速度耦合方式：船模阻力與自航計(jì)算壓力速度耦合方法采用SIMPLE方法。

4) 壓力離散格式：采用PRESTO!(Pressure Staggering Option)方法離散，其他項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式離散。

5) 船模自航計(jì)算螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)數(shù)值方法采用滑移網(wǎng)格方法。

2 研究對(duì)象

本文選取的研究對(duì)象為一艘散貨船，船體配備相應(yīng)的槳模、舵模和整流導(dǎo)管，其三維幾何模型見(jiàn)圖5。本文數(shù)值計(jì)算均采用模型尺度，計(jì)算工況對(duì)應(yīng)Fγ=0.145，對(duì)應(yīng)模型速度為1.187 m/s。船模和螺旋槳模型基本參數(shù)見(jiàn)表1。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 螺旋槳敞水?dāng)?shù)值計(jì)算結(jié)果

對(duì)18萬(wàn)噸級(jí)散貨船配備的螺旋槳進(jìn)行敞水性能數(shù)值計(jì)算，數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果的比較見(jiàn)表2。由表2可知：該計(jì)算方法能較好地模擬出的螺旋槳敞水性能，與模型試驗(yàn)結(jié)果相比，推力系數(shù)

表1 船模和槳模主尺度情況

表2 螺旋槳敞水性能數(shù)值計(jì)算結(jié)果

誤差基本在4%以?xún)?nèi)，扭矩系數(shù)吻合度較好，在設(shè)計(jì)點(diǎn)附近(J在0.4～0.5)偏差在1%以?xún)?nèi)，敞水效率偏差基本上都在4%以?xún)?nèi)。

3.2 整流導(dǎo)管對(duì)船體阻力影響分析

3.2.1船模阻力計(jì)算結(jié)果

船模阻力數(shù)值模擬用于獲得船模靜水阻力性能，是船?？焖傩灶A(yù)報(bào)的重要組成部分。本文分別對(duì)船模光體和加裝整流導(dǎo)管情況進(jìn)行阻力數(shù)值計(jì)算，計(jì)算中船體裝配舵幾何模型，以考慮舵對(duì)船體阻力的影響。計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表3。由表3可知：數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果吻合度較好，阻力值偏差均在1.7%以?xún)?nèi)。船舶加裝附體之后模型阻力略有增加，但增加量很小，僅占總阻力的0.2%。

表3 疊模法計(jì)算得到模型阻力

3.2.2船模興波阻力分析

采用疊模法對(duì)船舶無(wú)導(dǎo)管情況進(jìn)行阻力數(shù)值計(jì)算，假定計(jì)算得到的阻力值與帶有自由表面下阻力計(jì)算結(jié)果的差值為船模的興波阻力。計(jì)算分析結(jié)果見(jiàn)表4，采用疊模方法計(jì)算得到的阻力值為28.125 N，考慮自由表面后計(jì)算得到的總阻力值為30.165 N，兩者之差為1.95 N，即認(rèn)為該工況下船體模型的興波阻力Rw=1.95 N。

表4 船舶興波阻力分析

4 船模自航數(shù)值計(jì)算

4.1 自航計(jì)算方法

在自航數(shù)值計(jì)算中，參考船模自航模型試驗(yàn)方法，結(jié)合國(guó)際拖曳水池會(huì)議(International Towing Tank Conference,ITTC)推薦的船模自航模型試驗(yàn)和換算方法，采用強(qiáng)迫自航方法開(kāi)展船模自航計(jì)算分析，具體計(jì)算和分析流程[8-10]如下：

1) 定義速度入口來(lái)流速度為船模速度vm并保持不變，變換3個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速n，得到不同螺旋槳轉(zhuǎn)速下的槳推力T、扭矩Q和螺旋槳抽吸作用下船模阻力值RTS。

2) 根據(jù)數(shù)值計(jì)算得到的不同螺旋槳轉(zhuǎn)速n條件下推力T、扭矩Q和螺旋槳抽吸作用下的船模阻力RTS，建立Z-n、T-n和Q-n變化曲線，其中Z=RTS-T。

3) 對(duì)計(jì)算結(jié)果曲線進(jìn)行插值分析得到實(shí)船自航點(diǎn)，即Z=FD時(shí)的螺旋槳轉(zhuǎn)速n、螺旋槳推力T和轉(zhuǎn)矩Q，其中FD為

(8)

式(8)中：ρ為淡水的密度;S為船模濕表面積;k為形狀因數(shù)，本船在進(jìn)行阻力分析時(shí)采用二因次方法，k值取1；ΔCf為粗糙度補(bǔ)貼系數(shù)。

4.2 自航計(jì)算結(jié)果分析

采用第4.1節(jié)中的自航計(jì)算分析方法對(duì)有節(jié)能附體和無(wú)節(jié)能附體條件下船模自航數(shù)值計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，繪制出推力T、扭矩Q和強(qiáng)制力Z隨轉(zhuǎn)速n的變化曲線，根據(jù)強(qiáng)制力插值得到自航點(diǎn)轉(zhuǎn)速、推力和扭矩值，插值結(jié)果見(jiàn)表5，插值結(jié)果曲線見(jiàn)圖6。

表5 有無(wú)附體時(shí)自航點(diǎn)CFD計(jì)算結(jié)果比較

a) 光體

由表5和圖6可知:加裝FSD之后，船模的自航點(diǎn)轉(zhuǎn)速相比無(wú)導(dǎo)管時(shí)有所下降，這對(duì)船舶提高推進(jìn)效率是有利的，數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)得到的變化規(guī)律是一致的。

4.3 節(jié)能效果分析

船/槳組合體的繞流計(jì)算是自航性能數(shù)值預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)，基于船/槳組合體的繞流計(jì)算得到的數(shù)據(jù)，按照ITTC推薦規(guī)程進(jìn)行船模自航性能預(yù)報(bào)，得到船模的自航因數(shù)。[11]船舶在加裝前置導(dǎo)管前后自航因數(shù)的變化情況見(jiàn)表6。由表6可知：該船加裝的前置整流導(dǎo)管具有較明顯的節(jié)能效果，數(shù)值計(jì)算結(jié)果顯示該船在加裝導(dǎo)管之后推進(jìn)效率提升了4.13%，模型試驗(yàn)結(jié)果顯示推進(jìn)效率提升了5.8%，數(shù)值分析得到的加裝節(jié)能導(dǎo)管前后引起的推進(jìn)效率成分變化規(guī)律與模型試驗(yàn)結(jié)果一致。同時(shí)，從該船同類(lèi)型姊妹船實(shí)船試航結(jié)果反饋來(lái)看，該船加裝前置導(dǎo)管之后，在相同功率下航速增加0.22 kn，功率下降4.4%。實(shí)船試航數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：前置導(dǎo)管的節(jié)能效果明顯，根據(jù)數(shù)值計(jì)算結(jié)果預(yù)測(cè)出的節(jié)能效果在實(shí)船試航試驗(yàn)中仍然存在，且量值比較接近，表明該數(shù)值模擬方法在預(yù)測(cè)前置整流導(dǎo)管節(jié)能效果方面是有效的。

表6 自航因數(shù)和節(jié)能效果分析

5 流場(chǎng)分析

船舶加裝FSD之后，會(huì)在一定程度上改變艉部伴流場(chǎng)，影響螺旋槳的進(jìn)流條件，進(jìn)而影響螺旋槳的推進(jìn)效率、空泡激振力和實(shí)船功率性能預(yù)報(bào)等。下面主要對(duì)加裝FSD前后的艉部流場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比分析，探索FSD對(duì)螺旋槳工作區(qū)域流場(chǎng)的影響，分析FSD的節(jié)能機(jī)理。

5.1 標(biāo)稱(chēng)伴流場(chǎng)分析

5.1.1標(biāo)稱(chēng)伴流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果比較

數(shù)值計(jì)算得到的船舶光體情況下的槳盤(pán)面軸向伴流分?jǐn)?shù)分布云圖與模型試驗(yàn)結(jié)果比較見(jiàn)圖7，軸向伴流分?jǐn)?shù)和切向伴流分?jǐn)?shù)在不同半徑處沿周向分布曲線數(shù)值計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果比較見(jiàn)圖8。由圖7可知：CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，高伴流分?jǐn)?shù)的分布與旋渦位置能一一對(duì)應(yīng);在上方的復(fù)雜伴流區(qū)域，伴流分?jǐn)?shù)的梯度變化形式較為接近。由圖8可知：在0.4R、0.7R、0.9R和1.0R等半徑處，伴流分布計(jì)算結(jié)果與模型試驗(yàn)結(jié)果在量值上相當(dāng)接近。分析結(jié)果顯示，本文采用的數(shù)值計(jì)算方法能很好地捕捉到螺旋槳盤(pán)面伴流分布的形態(tài)特征，CFD計(jì)算方法是可行的，且計(jì)算結(jié)果能滿(mǎn)足艉流場(chǎng)定性和定量分析的需要。

a) 光體-CFD

圖8 槳盤(pán)面標(biāo)稱(chēng)伴流分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較

5.1.2FSD對(duì)標(biāo)稱(chēng)伴流場(chǎng)影響分析

為分析前置導(dǎo)管節(jié)能機(jī)理，從微觀流場(chǎng)方面分析船舶加裝導(dǎo)管前后槳盤(pán)面標(biāo)稱(chēng)伴流場(chǎng)的變化。數(shù)值計(jì)算得到的加裝前置導(dǎo)管前后槳盤(pán)面標(biāo)稱(chēng)伴流分?jǐn)?shù)分布云圖和沿周向分布曲線圖分別見(jiàn)圖9和圖10。對(duì)比加裝導(dǎo)管前后的伴流差別可看出，在加裝前置導(dǎo)管之后，槳盤(pán)面上半?yún)^(qū)域(即前置導(dǎo)管作用區(qū)域)的水流速度有不同程度的下降，即伴流分?jǐn)?shù)增大，盤(pán)面上半部伴流相比無(wú)導(dǎo)管時(shí)有所增加，尤其是0°～60°和300°～360°內(nèi)伴流分?jǐn)?shù)值變化最明顯，且:由于導(dǎo)管左右后傾角度不同，盤(pán)面內(nèi)伴流同樣呈現(xiàn)左右舷不對(duì)稱(chēng)的特征；由于右側(cè)導(dǎo)管相比左側(cè)后傾角度更大，使得盤(pán)面對(duì)應(yīng)右半部分相比左側(cè)伴流增加區(qū)域更大。伴流分?jǐn)?shù)增大這一現(xiàn)象可在模型試驗(yàn)的實(shí)效伴流試驗(yàn)結(jié)果中充分體現(xiàn)，船模加裝前置導(dǎo)管前后的實(shí)效伴流模型試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7。由圖9可知：槳盤(pán)面上方區(qū)域大部分區(qū)域的等值線變得相對(duì)平緩，軸向伴流的均勻性得到改善。

a) 光體-CFD

圖10 槳盤(pán)面軸向伴流分?jǐn)?shù)周向分布圖

表7 加裝導(dǎo)管前后船模實(shí)效伴流模型試驗(yàn)結(jié)果比較

加裝FSD前后，槳盤(pán)面不同半徑處軸向伴流分?jǐn)?shù)面積平均值見(jiàn)表8。一般對(duì)于螺旋槳性能而言，0.7R附近的流場(chǎng)條件對(duì)螺旋槳效率的影響作用更關(guān)鍵。由表8可知:FSD對(duì)槳盤(pán)面內(nèi)不同半徑處的軸向伴流分?jǐn)?shù)均有不同程度的增加，0.7R～0.9R處的增加量相對(duì)更大一些，說(shuō)明該船導(dǎo)管設(shè)計(jì)方案更能影響到關(guān)鍵流場(chǎng)區(qū)域伴流，更能發(fā)揮導(dǎo)管的整流作用。

表8 槳盤(pán)面不同半徑處軸向伴流分?jǐn)?shù)平均值

船模加裝FSD前后其槳盤(pán)面切向伴流分布情況分別見(jiàn)圖11和圖12。由圖11和圖12可知:槳盤(pán)面上方的旋渦明顯減小，槳盤(pán)面的0°位置附近的向下速度分量得到明顯遏制，且產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)的左旋水流起到預(yù)旋的作用。從整個(gè)槳盤(pán)面看，水流的橫向誘導(dǎo)速度明顯下降，前置導(dǎo)管減少尾流的旋轉(zhuǎn)能量損失。

圖11 槳盤(pán)面軸向切向分?jǐn)?shù)周向分布圖

圖12 槳盤(pán)面軸向伴流分?jǐn)?shù)周向分布圖

對(duì)槳盤(pán)面內(nèi)切向伴流進(jìn)行面積積分，得到槳盤(pán)面內(nèi)切向伴流面積平均值表9。由于船體是左右對(duì)稱(chēng)的，因此不帶FSD時(shí)船體槳盤(pán)面切向速度積分為零。加裝FSD之后，槳盤(pán)面的切向伴流積分結(jié)果為負(fù)數(shù)，即盤(pán)面內(nèi)切向流動(dòng)整體上與螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向(順時(shí)針?lè)较?相反，根據(jù)螺旋槳理論，這種切向速度的存在有利于提高螺旋槳的推進(jìn)效率，不僅是整流導(dǎo)管起到節(jié)能增效作用的一個(gè)重要原因，也是整流導(dǎo)管不對(duì)稱(chēng)設(shè)計(jì)對(duì)流場(chǎng)帶來(lái)的有利影響作用。

表9 槳盤(pán)面內(nèi)切向伴流平均值

5.2 實(shí)效伴流場(chǎng)分析

自航數(shù)值計(jì)算得到的槳盤(pán)面前方軸向伴流分?jǐn)?shù)分布和切向伴流分?jǐn)?shù)分布分別見(jiàn)圖13和圖14;對(duì)速度剖面內(nèi)軸向伴流和切向伴流進(jìn)行面積積分，結(jié)果見(jiàn)表10。由圖13和圖14所知:槳的存在使得槳盤(pán)面內(nèi)伴流失去了左右對(duì)稱(chēng)性的特征，由于槳的抽吸作用，軸向伴流相比標(biāo)稱(chēng)伴流場(chǎng)明顯減小。FSD的存在從一定程度上增加了槳前盤(pán)面內(nèi)的軸向伴流分?jǐn)?shù)，同時(shí)改變了槳前切向速度的方向(呈現(xiàn)出與槳旋轉(zhuǎn)方向相反的切向速度)，根據(jù)螺旋槳相關(guān)理論，這種變化會(huì)提高螺旋槳的推進(jìn)效率。同時(shí)，對(duì)槳后速度剖面內(nèi)伴流的積分結(jié)果顯示，在加裝FSD之后，槳后切向速度變小，說(shuō)明旋轉(zhuǎn)能量損失變小，F(xiàn)SD會(huì)減少軸向伴流損失和旋轉(zhuǎn)能量損失。

a) 光體

a) 光體

表10 槳盤(pán)面內(nèi)切向伴流平均值

自航數(shù)值計(jì)算得到的槳盤(pán)面前方橫向速度矢量分布見(jiàn)圖15。由圖15可知，加裝附體之后盤(pán)面內(nèi)的渦旋流動(dòng)有所減小，12點(diǎn)鐘方向向下的一股水流強(qiáng)度減弱，2點(diǎn)鐘方向橫向的渦旋流動(dòng)比無(wú)導(dǎo)管情況下的強(qiáng)度弱、范圍小，加裝整流導(dǎo)管之后流場(chǎng)的變化更有利于螺旋槳的穩(wěn)定工作。

a) 無(wú)導(dǎo)管

6 結(jié)束語(yǔ)

本文以數(shù)值計(jì)算方法為研究手段，對(duì)船舶加裝整流導(dǎo)管前后水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，通過(guò)深入分析FSD對(duì)船舶阻力性能、艉部流場(chǎng)以及船后螺旋槳水動(dòng)力特性等影響，分析導(dǎo)管的節(jié)能機(jī)理，得出以下主要結(jié)論：

1) 該研究采用的計(jì)算方法對(duì)于船模阻力、船模標(biāo)稱(chēng)伴流場(chǎng)等數(shù)值預(yù)報(bào)精度，基本達(dá)到工程應(yīng)用精度要求。

2) 研究對(duì)船舶在加裝前置導(dǎo)管前后自航性能開(kāi)展數(shù)值計(jì)算分析，采用ITTC推薦規(guī)程對(duì)自航計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，預(yù)報(bào)前置導(dǎo)管的節(jié)能效果。分析結(jié)果顯示：本船加裝FSD具有一定的節(jié)能效果，模型尺度下，數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)顯示的推進(jìn)效率提升分別為4.12%和5.80%。同時(shí)，本船同類(lèi)型姊妹船實(shí)船試航結(jié)果顯示節(jié)能效果為4.40%，可見(jiàn)采用的CFD評(píng)估方法具有一定的精度和可靠性，可作為節(jié)能附體能效數(shù)值評(píng)估的有效工具。

3) 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析顯示:本文采用的FSD對(duì)船模阻力性能的影響較小，導(dǎo)管的存在改變了螺旋槳的進(jìn)流場(chǎng)，導(dǎo)管周?chē)乃魉俣葴p慢，導(dǎo)致螺旋槳盤(pán)面處的伴流增大，同時(shí)使進(jìn)流趨向均勻，從而提高螺旋槳推進(jìn)效率。

4) 導(dǎo)管的存在對(duì)于船舶艉部舭渦和盤(pán)面內(nèi)不利的橫向流動(dòng)具有抑制作用，槳盤(pán)面的0°位置附近的向下的速度分量得到明顯遏制，并產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)的左旋水流，起到預(yù)旋作用，從整個(gè)槳盤(pán)面看，水流的橫向誘導(dǎo)速度明顯下降，前置導(dǎo)管降低尾流的旋轉(zhuǎn)能量損失，這是船舶推進(jìn)效率提升的原因之一。

5) 對(duì)船舶伴流場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證，僅開(kāi)展標(biāo)稱(chēng)伴流場(chǎng)模型試驗(yàn)，并針對(duì)船舶加裝附體情況下的標(biāo)稱(chēng)伴流場(chǎng)和船舶實(shí)效伴流場(chǎng)等開(kāi)展試驗(yàn)分析，未來(lái)的研究會(huì)考慮對(duì)這2方面內(nèi)容作進(jìn)一步的研究。