耙吸式挖泥船螺旋槳水動(dòng)力性能分析

周丙浩，焦 鵬，馬 勇

(1.中港疏浚有限公司，上海 200136；2.中山大學(xué)，廣州 510275)

圖1 可調(diào)螺距螺旋槳Fig.1 Controllable pitch propeller

隨著疏浚行業(yè)的不斷發(fā)展，推進(jìn)系統(tǒng)在工程船舶施工效率方面的作用日益為人們所重視。推進(jìn)系統(tǒng)不僅直接關(guān)系到船舶的燃料消耗，還影響施工船舶的施工效率。耙吸挖泥船對地航速直接影響耙頭的挖掘效率。目前，對各種工程條件、航道現(xiàn)狀情況都有詳細(xì)的實(shí)測與計(jì)算對比分析，對航道選線、整治思路等相關(guān)航道整治問題研究較多[1-2]；原槳的CFD模擬計(jì)算、船舶縱傾與斜傾對槳葉性能的影響、三葉片螺旋槳的敞水性能曲線和效率成分預(yù)報(bào)、四葉片螺旋槳(如圖1所示)性能研究等計(jì)算方法也相對成熟[3-6]。但對于施工船舶推進(jìn)性能的研究相對較少，本文針對自航耙吸式挖泥船方型系數(shù)高、挖泥阻力大的特點(diǎn)，對不同葉片數(shù)和不同進(jìn)速系數(shù)下挖泥船螺旋槳的推進(jìn)性能進(jìn)行了研究，為施工和設(shè)計(jì)提供參考。

1 計(jì)算理論

根據(jù)開爾文假定[7]，通過控制點(diǎn)處的法向速度為零，得到如下方程

(1)

根據(jù)Shiba[8]的韋伯?dāng)?shù)臨界值理論[8]，本文案例中韋伯?dāng)?shù)Wn>180，將表征螺旋槳水動(dòng)力特性的參數(shù)以無量綱的形式定義，如表1所示。

表1 螺旋槳水動(dòng)力特性參數(shù)表Tab.1 Hydrodynamic characteristic parameter of propeller

表1中，D為螺旋槳直徑；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；VS為進(jìn)水速度；ρ為流體的密度；T為推力；Q為轉(zhuǎn)矩。

空氣和水兩相流模型，采用有限體積法(FVM)求解積分形式的動(dòng)量方程，使用隱式歐拉格式進(jìn)行時(shí)間離散。出口處梯度條件為強(qiáng)迫壓力，螺旋槳表面為無滑移條件的壁面函數(shù)。動(dòng)量守恒幀描述如下

(2)

流體體積(VOF)模型

(3)

圖2 水動(dòng)力模型圖Fig.2 Hydrodynamic model diagram

2 計(jì)算模型及工況

2.1 模型參數(shù)

本文針對耙吸挖泥船定螺距螺旋槳FPP，工作轉(zhuǎn)速155 rpm，建立螺旋槳水動(dòng)力模型，如圖2所示，螺旋槳直徑D=0.48 m，螺旋槳轉(zhuǎn)速n=16.232 rad/s ，流體密度ρ=1.002 5 t/m3(取自長江水域流體密度)，旋轉(zhuǎn)軸(0，0，1 m)，入口方向(0，0，-0.796 m)，V2為旋轉(zhuǎn)域，旋轉(zhuǎn)域直徑為0.5 m，母線長0.6 m，V3為流場域，流場域直徑為2 m，母線長2.5 m，w為螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向；左側(cè)為流場域入口，右側(cè)為流場域出口。

圖3 計(jì)算模型圖Fig.3 Computational model diagram

商用軟件ANSYS-FLUENT具有功能完備、計(jì)算精度高、界面友好等優(yōu)點(diǎn)，常用于計(jì)算船舶水動(dòng)力學(xué)性能相關(guān)的問題， 本文基于exceed運(yùn)用GAMBIT軟件對螺旋槳水動(dòng)力模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如圖3所示為計(jì)算模型圖，三葉螺旋槳旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格大小為10 mm，網(wǎng)格數(shù)為180 587，流場域網(wǎng)格大小為50 mm，網(wǎng)格數(shù)為 208 572；四葉螺旋槳旋轉(zhuǎn)域網(wǎng)格大小為8 mm，網(wǎng)格數(shù)為315 713，流場域網(wǎng)格大小為40 mm，網(wǎng)格數(shù)為362 946。

2.2 計(jì)算工況

本文以可調(diào)螺距螺旋槳為對象，構(gòu)建參數(shù)化的水動(dòng)力計(jì)算方案，以進(jìn)速系數(shù)J、螺旋槳葉片數(shù)K為主要計(jì)算變量，以推進(jìn)系數(shù)、葉片吸力面和壓力面的靜壓、總壓為評定指標(biāo)。進(jìn)速系數(shù)J取0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7七組數(shù)據(jù)；螺旋槳葉片數(shù)K取3和4兩種，在進(jìn)速系數(shù)和葉片數(shù)的組合工況下對各工況的推力系數(shù)、效率、葉片吸力面和壓力面的靜壓、總壓進(jìn)行對比分析。

表2 進(jìn)速系數(shù)與速度轉(zhuǎn)換表Tab.2 Speed Coefficient and speed conversion

3 結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)進(jìn)速系數(shù)公式J=Vs/(nD)，本文所選取的進(jìn)速系數(shù)與速度的對應(yīng)關(guān)系如表2所示。

基于GAMBIT所建立的水動(dòng)力模型，本文利用ANSYS-FLUENT計(jì)算在J=0.1～0.7時(shí)兩種不同葉片數(shù)螺旋槳的KT、η(分別為推力系數(shù)和效率)，如圖4所示為進(jìn)速系數(shù)與推力系數(shù)、效率的關(guān)系曲線圖。

圖4 螺旋槳進(jìn)速系數(shù)J與KT、η的關(guān)系曲線圖Fig.4 Relation curve of propeller speed coefficient J with KT and η

如圖4所示，隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，推力系數(shù)呈波動(dòng)性變化；三葉螺旋槳的推力系數(shù)曲線呈先減小后增大的趨勢，而四葉螺旋槳的推力系數(shù)曲線與之相反，呈先增大后減小的趨勢；總體上，同等進(jìn)速系數(shù)下，四葉螺旋槳的推力系數(shù)大于三葉螺旋槳的推力系數(shù)。三葉螺旋槳與四葉螺旋槳的推進(jìn)效率曲線都呈先增大后減小趨勢，四葉螺旋槳的推進(jìn)效率基本優(yōu)于三葉螺旋槳。綜上，四葉螺旋槳的推進(jìn)性能更優(yōu)。

3.2 進(jìn)速系數(shù)影響分析

由于結(jié)果的相似性，本文以進(jìn)速系數(shù)為0.5和0.7時(shí)三葉螺旋槳的葉片表面壓力云圖為例，對比分析不同進(jìn)速系數(shù)下槳葉表面的壓力分布情況。

5-a J=0.5時(shí)螺旋槳葉片吸力面靜壓分布圖5-b J=0.5時(shí)螺旋槳葉片壓力面靜壓分布圖5-c J=0.7時(shí)螺旋槳葉片吸力面靜壓分布圖5-d J=0.7時(shí)螺旋槳葉片壓力面靜壓分布圖

5-e J=0.5時(shí)螺旋槳葉片吸力面總壓分布圖5-f J=0.5時(shí)螺旋槳葉片壓力面總壓分布圖5-g J=0.7時(shí)螺旋槳葉片吸力面總壓分布圖5-h J=0.7時(shí)螺旋槳葉片壓力面總壓分布圖圖5 不同進(jìn)速系數(shù)下三葉螺旋槳葉片表面壓力云圖Fig.5 Surface pressure nephogram of three-blade propeller blade with different advance coefficients

如圖5所示，葉片壓力面靜壓和總壓總體大于葉片吸力面的靜壓和總壓；葉片壓力面的壓力分布層次較吸力面密集；葉片吸力面和壓力面的總壓分布層次較靜壓密集；越靠近葉片前邊緣，葉片表面壓力越大且出現(xiàn)高壓密集區(qū)域，最高可達(dá)1.85×104N；越遠(yuǎn)離葉片前邊緣，葉片表面壓力分布越稀疏分明，出現(xiàn)低壓區(qū)域；隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，葉片表面靜壓和總壓變大，壓力分布層次也更為密集；根據(jù)進(jìn)速系數(shù)公式J=Vs/nD，在螺旋槳直徑D、螺旋槳轉(zhuǎn)速n為定值的條件下，進(jìn)速系數(shù)越大，流速越大，葉片承載的壓力增加，且均滿足安全性要求。

3.3 葉片數(shù)影響分析

由于結(jié)果的相似性，本文以進(jìn)速系數(shù)為0.4時(shí)三葉螺旋槳和四葉螺旋槳的葉片表面壓力云圖為例，對比分析不同螺旋槳葉片數(shù)下槳葉表面的壓力分布情況(bar)。

如圖6所示，三葉螺旋槳和四葉螺旋槳的葉片壓力面靜壓和總壓均較吸力面大，且葉片壓力面的壓力分布層次較吸力面密集，葉片吸力面和壓力面的總壓分布層次較靜壓密集，葉片前邊緣表面壓力最大且出現(xiàn)高壓密集區(qū)域，最高可達(dá)2.10×104N，以上規(guī)律不受葉片數(shù)變化的影響。與三葉螺旋槳相比，相同進(jìn)速系數(shù)下四葉螺旋槳的葉片表面壓力更大，分布層次更密集，這是由于四葉螺旋槳的葉片間距小于三葉螺旋槳的葉片間距，葉片間距越小，越不容易產(chǎn)生空泡、氣泡現(xiàn)象，空泡性能越好，推進(jìn)效率越高；綜上，四葉螺旋槳的推進(jìn)性能優(yōu)于三葉螺旋槳的推進(jìn)性能，且均滿足安全性要求。

6-a 三葉螺旋槳葉片吸力面靜壓分布圖6-b 三葉螺旋槳葉片壓力面靜壓分布圖6-c 四葉螺旋槳葉片吸力面靜壓分布圖6-d 四葉螺旋槳葉片壓力面靜壓分布圖

6-e 三葉螺旋槳葉片吸力面總壓分布圖6-f 三葉螺旋槳葉片壓力面總壓分布圖6-g 四葉螺旋槳葉片吸力面總壓分布圖6-h 四葉螺旋槳葉片壓力面總壓分布圖圖6 J=0.4時(shí)不同葉片數(shù)螺旋槳葉片表面壓力云圖Fig.6 Surface pressure nephogram of propeller blades with different blade numbers at J=0.4

4 結(jié)論

本文通過商業(yè)軟件ANSYS-FLUENT對不同葉片數(shù)的螺旋槳在不同推進(jìn)系數(shù)下的水動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算了三葉螺旋槳和四葉螺旋槳在不同進(jìn)速系數(shù)下的推力和推力系數(shù)，對比分析了葉片表面壓力的分布情況和螺旋槳推進(jìn)效率的影響因素。結(jié)果表明：葉片數(shù)是影響螺旋槳推進(jìn)效率的重要因素，進(jìn)速系數(shù)是影響葉片表面壓力分布情況的重要因素；葉片壓力面靜壓和總壓均較吸力面大，葉片壓力面的壓力分布層次較吸力面密集，葉片吸力面和壓力面的總壓分布層次較靜壓密集，葉片前邊緣表面壓力最大且出現(xiàn)高壓密集區(qū)域，且以上規(guī)律不受葉片數(shù)變化的影響；隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，葉片表面承載的壓力增大，壓力分布層次更密集，推力系數(shù)曲線呈波動(dòng)性變化，推進(jìn)效率曲線呈先增大后減小趨勢；與三葉螺旋槳相比，四葉螺旋槳的葉片間距離較小，空泡性能更好，相同進(jìn)速系數(shù)下四葉螺旋槳的葉片表面承載壓力更大，推力系數(shù)和效率更高，適用于方型系數(shù)高、挖泥阻力大的耙吸式挖泥船。