轂帽鰭參數(shù)變化對新型低噪聲耦合槳增效影響的數(shù)值分析

李亮， 劉登成， 韓用波， 許影博

(1.中國船舶科學(xué)研究中心 船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082； 2.江蘇省綠色船舶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

2014年，國內(nèi)海軍裝備研究院馬騁等[1]提出了一種低噪聲多葉耦合螺旋槳新構(gòu)型，并通過數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)方法開展了性能研究，取得了較好的效果。這種新構(gòu)型的主要特點(diǎn)是將多個槳葉(多達(dá)6～12葉)沿軸向錯位多層耦合布置，有利于在葉數(shù)增加的情況下降低根部翼柵效應(yīng)，從而減小螺旋槳的非定常力和低頻噪聲、改善葉片空泡性能和提高推進(jìn)效率。和常規(guī)螺旋槳一樣，耦合槳在實(shí)際工程應(yīng)用中也需要考慮轂渦消除和能量回收的問題，轂帽鰭作為一種重要的消渦手段，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便的特點(diǎn)，與耦合槳匹配使用同樣可以達(dá)到很好的消渦節(jié)能效果。

新型低噪聲耦合槳構(gòu)型新穎，增效降噪潛力大，但是到目前為止，國內(nèi)外并沒有關(guān)于耦合槳轂帽鰭設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)，只能借鑒常規(guī)槳轂帽鰭的研究成果。轂帽鰭又稱為消渦鰭，在1987年作為一種新型的節(jié)能裝置被正式提出的，到2010年為止，已經(jīng)有1 800多艘實(shí)船上安裝了轂帽鰭，取得了很好的節(jié)能效果[2]。Ouchi等[3-4]進(jìn)行了轂帽鰭流態(tài)顯示試驗(yàn)；Kai等[5]通過數(shù)值計(jì)算分析了轂帽鰭的節(jié)能機(jī)理；Hsin等[6]用CFD工具對轂帽鰭的各種參數(shù)進(jìn)行了考察，得出結(jié)論影響轂帽鰭節(jié)能效果最主要的因素是鰭片的螺距角以及安裝角。國內(nèi)也有很多學(xué)者對轂帽鰭的節(jié)能機(jī)理等問題進(jìn)行過研究，王超[7]采用CFD方法分析了影響轂帽鰭水動力性能的幾個參數(shù)，并給出了相關(guān)建議；李鵬程[8]建立了螺旋槳轂帽鰭粘勢耦合設(shè)計(jì)方法，對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了模型試驗(yàn)驗(yàn)證；馬騁等[9]將螺旋槳與轂帽鰭作為一個整體進(jìn)行一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)過程中融入槳葉根部加載的設(shè)計(jì)思想。除此之外國內(nèi)還有大量學(xué)者開展了相關(guān)研究工作[10-11]。

轂帽鰭設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括葉數(shù)、直徑、螺距和安裝角度等。對于常規(guī)槳轂帽鰭，鰭葉數(shù)一般取和螺旋槳葉數(shù)相同為宜，鰭葉直徑取螺旋槳直徑0.18～0.33倍為宜[12]，而耦合槳轂帽鰭設(shè)計(jì)參數(shù)選取規(guī)律還有待研究。本文以某耦合槳為研究對象，采用數(shù)值方法分析了葉數(shù)、周向安裝角度和直徑等參數(shù)對轂帽鰭流場和節(jié)能效果的影響，可以為耦合槳轂帽鰭設(shè)計(jì)時主參數(shù)的選取提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 研究對象

1.1 耦合槳模型

本文以某10葉耦合螺旋槳(以下簡稱耦合槳)為研究對象，其主要參數(shù)如表1所示，其三維造型見圖1。

表1 耦合槳主參數(shù)

圖1 耦合槳三維造型

1.2 轂帽鰭模型

本文中與耦合槳匹配的轂帽鰭為變螺距角類型，其螺距角徑向分布如圖2所示，該轂帽鰭根部螺距角小，梢部螺距角大，這種螺距角分布形式有利于在消除轂渦的同時很好地改善鰭葉本身壓力分布。在研究鰭葉葉數(shù)、周向安裝角和直徑等參數(shù)影響時，轂帽鰭螺距角保持不變。

圖2 轂帽鰭螺距角徑向分布

2 數(shù)值模型

采用CFD數(shù)值方法，對耦合槳與轂帽鰭進(jìn)行整體計(jì)算，在慣性直角坐標(biāo)系下，定義坐標(biāo)軸x為螺旋槳的旋轉(zhuǎn)軸，指向下游為正。控制方程采用Reynolds平均的Navier-Stokes(RANS)[13]方程，基于壓力的離散求解，其中對流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行空間離散，耗散項(xiàng)采用二階中心差分格式進(jìn)行離散。由于考慮到模型壁面剪切力的影響，為了能夠較好地模擬強(qiáng)逆壓梯度流場，本文所采用的是SST(shear stress transport)k-ω[14]模型，該模型混合了k-ω模型和k-ε模型的優(yōu)勢，能夠計(jì)算流動分離區(qū)域，是目前二方程湍流模型中最為經(jīng)典的模型之一，在粘性繞流場的計(jì)算方面有很好的優(yōu)勢。但是對Y+值有著一定的要求，一般認(rèn)為在30～200為宜[15]，Y+函數(shù)定義如式(1)所示，它表示的是第1層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)距壁面的無量綱距離:

(1)

式中:Y是單元中心到壁面的距離；μ是流體的動力粘度；ρ是流體密度；τm是壁面切應(yīng)力。

計(jì)算域?yàn)橐粋€長方體流域，邊界條件設(shè)定如圖3所示，入口和周圍壁面距槳盤面6D(D為耦合槳直徑)，出口距槳盤面9D，螺旋槳和轂帽鰭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動通過多參考系(MRF)[16]模型進(jìn)行模擬，轉(zhuǎn)速n=25 rad/s，入口水速通過計(jì)算進(jìn)速系數(shù)換算得到V=J0nD，J0為進(jìn)速系數(shù),轂帽鰭參數(shù)影響分析時進(jìn)速系數(shù)選擇為J0=0.6。計(jì)算采用切割體網(wǎng)格形式，計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為450萬，網(wǎng)格細(xì)節(jié)如圖4所示。

3 數(shù)值方法驗(yàn)證

為了確定數(shù)值方法的有效性，本文研究過程中首先選擇加工了一個葉數(shù)為5葉，轂徑比為0.29的轂帽鰭與耦合槳進(jìn)行匹配，并在中國船舶科學(xué)研究中心空泡水筒中開展了節(jié)能增效試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D5，空泡水筒工作段見圖6。

圖7為空泡水筒轂帽鰭試驗(yàn)照片。僅安裝光帽時，槳轂后方存在極為嚴(yán)重的轂渦，安裝轂帽鰭后轂渦被完全抑制，雖然鰭葉本身有空泡發(fā)生，但這種空泡本質(zhì)上屬于片空泡，相對渦空泡類型的轂渦空泡，其尺度效應(yīng)小，只要轂帽鰭片空泡起始晚于槳葉葉背片空泡就可被接受。

圖3 計(jì)算邊界條件

圖4 計(jì)算網(wǎng)格

圖5 轂帽鰭試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖6 中國船舶科學(xué)研究中心空泡水筒工作段

圖7 耦合槳-轂帽鰭試驗(yàn)照片

圖8所示為不同進(jìn)速系數(shù)下耦合槳-轂帽鰭增效CFD計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果對比，圖中數(shù)據(jù)顯示二者增效變化趨勢一致，量值上相差在1%以內(nèi)。一方面是計(jì)算狀態(tài)為敞水開闊水域，但空泡水筒中試驗(yàn)狀態(tài)為均勻來流，有筒壁效應(yīng)存在，實(shí)際工作進(jìn)速點(diǎn)有差別；另一方面轂帽鰭相對于螺旋槳來說尺寸要小，對網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算精度要求更高，根據(jù)以往計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)情況增效計(jì)算值都會比試驗(yàn)值偏小?？偟膩砜?，計(jì)算精度在可接受范圍之內(nèi)，本文采用的數(shù)值方法可靠有效。

圖8 耦合槳轂帽鰭增效CFD計(jì)算值與試驗(yàn)值對比

4 轂帽鰭參數(shù)影響分析

4.1 轂帽鰭葉數(shù)影響分析

本文中選取的耦合槳葉數(shù)為10葉，前組和后組槳葉各5葉，因此既可看做10葉單槳，又可認(rèn)為是5葉雙槳，轂帽鰭葉數(shù)的選取無法根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)去進(jìn)行簡單判斷。為了研究轂帽鰭葉數(shù)影響，分別選取轂帽鰭葉數(shù)為5葉、7葉和10葉，與耦合槳進(jìn)行匹配計(jì)算，如圖9所示。鰭的直徑均取0.29D。轂帽鰭周向布置時，任意選取一片鰭葉和螺旋槳前槳葉作為參考葉，讓鰭葉位于前槳葉的螺旋線延長線上，經(jīng)計(jì)算，鰭葉參考線落后前槳葉參考線81.2°時剛好滿足要求，如圖10所示。

4.1.1 流場計(jì)算結(jié)果分析

圖11給出了不同葉數(shù)轂帽鰭后方流線和壓力分布情況?？梢钥吹綗o轂帽鰭時，轂帽后方流體存在強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，尤其在槳轂中心區(qū)域，往下游泄出的流線呈規(guī)整的螺旋狀分布，轂帽后方有較大范圍的低壓區(qū)存在，最小壓力系數(shù)為-11.93；安裝有轂帽鰭后，轂渦運(yùn)動明顯變?nèi)?，槳轂中心流線開始松散開來，轂帽緊后方的壓力也得到了顯著提升，有利于轂渦空泡抑制，同時也會減小槳轂自身阻力。另外，對比不同葉數(shù)轂帽鰭可以發(fā)現(xiàn)，鰭葉葉數(shù)越多，槳轂后方壓力提升越明顯，耦合槳轂渦消除效果越好，其中10葉轂帽鰭后方最小壓力系數(shù)僅為-2.733。

圖9 不同葉數(shù)轂帽鰭三維模型

圖10 轂帽鰭周向布置位置

圖11 不同葉數(shù)轂帽鰭后方流線和壓力分布

4.1.2 水動力計(jì)算結(jié)果分析

耦合槳匹配不同葉數(shù)轂帽鰭后其水動力計(jì)算結(jié)果如圖12所示。計(jì)算結(jié)果顯示5葉轂帽鰭增效為3.49%，7葉轂帽鰭增效為3.85%，10葉轂帽鰭增效為4.19%，轂帽鰭葉數(shù)越多，增效越明顯，和流場分析結(jié)果相吻合。這表明耦合槳雖然由前后2組槳葉錯開布置，但在轂帽鰭葉數(shù)選取時，仍需以2組槳葉葉數(shù)之和作為參考。

圖12 不同葉數(shù)轂帽鰭耦合槳增效計(jì)算結(jié)果

4.2 轂帽鰭周向安裝角度影響分析

4.2.1 安裝角度計(jì)算工況

由于轂帽鰭周向安裝角度具備一定的周期性，因此在研究轂帽鰭周向安裝角度對耦合槳水動力性能的影響時，考慮將周期角度分為6個間隔角度進(jìn)行計(jì)算，其中5葉鰭計(jì)算間隔角度為12°；7葉鰭計(jì)算間隔角度為8.6°；10葉鰭計(jì)算間隔角度為6°，取鰭葉位于前槳葉的螺旋線延長線上作為第1個計(jì)算基準(zhǔn)角度，再由此順時針推算其他計(jì)算狀態(tài)的安裝角度，具體計(jì)算工況如表2所示。

表2 安裝角度計(jì)算工況

4.2.2 水動力計(jì)算結(jié)果分析

圖13給出了不同安裝角“耦合槳-轂帽鰭”系統(tǒng)水動力計(jì)算結(jié)果，分析可知：

1)對于5葉轂帽鰭，工況1、工況3和工況4相對來說增效較高，分別為3.49%、3.50%和3.43%，這3個位置分別對應(yīng)前槳葉根部螺旋線延長線、落后后槳葉根部螺旋線延長線12°和后槳葉根部螺旋線延長線。這表明5葉轂帽鰭沿前槳或者后槳螺旋線安裝效率提升均比較明顯，而安裝角略落后后槳螺旋線安裝效率最佳；

2)對于7葉轂帽鰭，不同安裝角度耦合槳整體效率幾乎沒有發(fā)生變化，主要是因?yàn)橄麥u鰭葉數(shù)與槳葉數(shù)目非匹配狀態(tài)，不同安裝角度下總會有消渦鰭的葉片和耦合槳葉錯開，因此任意安裝角度之間差別不大；

3)對于10葉轂帽鰭，工況1增效最高，為4.19%，其次是工況6，為4.17%。效率變化趨勢表明，10葉轂帽鰭沿前、后槳葉根部螺旋線延長線安裝效率提升最高；隨著鰭葉片與前槳葉根螺旋線逐漸錯開，效率開始慢慢下降，位于前后槳葉根螺旋線中間時效率提升最小；當(dāng)鰭葉片進(jìn)一步與前槳葉根螺旋線錯開，此時鰭葉片開始慢慢接近后槳葉根螺旋線位置，效率又開始慢慢提升。

圖13 不同安裝角“耦合槳-轂帽鰭”增效計(jì)算結(jié)果

4.3 轂帽鰭直徑比影響分析

固定消渦鰭葉數(shù)為10葉，安裝角度為后槳葉根部螺旋線延長線，對不同直徑轂帽鰭進(jìn)行水動力計(jì)算，增效計(jì)算結(jié)果如圖14所示。從計(jì)算結(jié)果看，隨著消渦鰭直徑的增大，效率提升效果越來越顯著，在轂帽鰭直徑與螺旋槳直徑比值為0.41時，增效最高,為5.43%。

圖14 不同直徑比“耦合槳-轂帽鰭”增效計(jì)算結(jié)果

為了更好地分析轂帽鰭對尾流能量的回收情況，提取計(jì)算模型槳轂后方5 mm位置處的截面切向速度徑向分布進(jìn)行分析。圖15給出了不同直徑比的轂帽鰭槳轂后方切向速度徑向分布曲線，無轂帽鰭時，耦合槳槳轂后方切向速度分量較大；安裝轂帽鰭后，切向速度被有效回收，量值迅速減小?？梢钥吹剑谝欢ǚ秶鷥?nèi)，轂帽鰭直徑比越大時，對尾流切向速度回收效果越好，直徑比為0.41時，增效最高，此時槳轂后方無量綱切向速度整體更接近于0；而當(dāng)直徑比為0.45時，槳轂中心區(qū)域甚至出現(xiàn)了負(fù)的較大切向速度，說明此時尾流切向速度被過分矯正，反而對效率不利。

圖15 無量綱切向速度徑向分布

5 結(jié)論

1)耦合槳-轂帽鰭增效CFD計(jì)算值與試驗(yàn)值對比結(jié)果顯示不同進(jìn)速下二者增效變化趨勢一致，量值上相差在1%以內(nèi)，驗(yàn)證了本文數(shù)值方法的可靠有效性；

2)鰭葉葉數(shù)5～10葉變化時，葉數(shù)越多，槳轂后方壓力提升越明顯，耦合槳轂渦消除效果越好。表明耦合槳雖然由前后2組槳葉錯開布置，但轂帽鰭葉數(shù)選取仍需以2組槳葉葉數(shù)之和作為參考；

3)不同葉數(shù)轂帽鰭最佳安裝角略有不同。對于5葉轂帽鰭，安裝角略落后后槳螺旋線安裝效率最佳；對于7葉轂帽鰭，不同安裝角度耦合槳整體效率幾乎沒有發(fā)生變化；對于10葉轂帽鰭，沿前、后槳葉根部螺旋線延長線安裝效率提升最高；

對于本文研究的耦合槳，直徑比為0.41時，增效最高，此時槳轂后方無量綱切向速度整體更接近于0，耦合槳轂帽鰭最佳直徑比相比常規(guī)螺旋槳要偏大，具體機(jī)理還需進(jìn)一步分析研究。