新型震蕩水翼應(yīng)用于實(shí)船的推進(jìn)性能研究

劉佳明，呂峰，杜易洋，張沖

(1.江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100；2.中國船舶集團(tuán)有限公司第七一四研究所，北京 100101)

0 引言

船舶在海上航行時(shí)大多處于波浪海況，波浪的存在不僅會(huì)使船舶的航行阻力增加約15%～30%，航行過程中產(chǎn)生的劇烈搖晃還會(huì)導(dǎo)致螺旋槳失速。在船體安裝合適的輔助推進(jìn)裝置可以有效降低波浪對船舶航行的干擾，提高船舶推進(jìn)效率。震蕩水翼能夠?qū)⒉ɡ四苻D(zhuǎn)化為動(dòng)能，分為主動(dòng)式和被動(dòng)式2 種，是船用助推裝置中較為常見的形式[1–3]。本文研究的意義在于，以現(xiàn)有的震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置為基礎(chǔ)，提出一種能夠有效改善船舶推進(jìn)性能的新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置，為波浪能助推領(lǐng)域的研究提供更多理論參考。

傳統(tǒng)的被動(dòng)式震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置主要存在以下不足：

1）為確保水翼處于波谷時(shí)仍可正常工作，傳統(tǒng)水翼一般安裝在自由液面以下較深的位置。但波浪能隨深度的增加呈指數(shù)下降，即震蕩水翼提供的推進(jìn)效率較低。

2）傳統(tǒng)水翼在大角度震蕩時(shí)，表面易發(fā)生渦脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致水翼周圍的一部分波浪能隨脫落的渦一同消失?？赊D(zhuǎn)化為動(dòng)能的波浪能減少，即震蕩水翼產(chǎn)生的推力降低。

針對以上不足，分別采取以下2 個(gè)措施進(jìn)行改良：

1）將水翼與可自由沉浮的浮子相連，在確保水翼位于液面以下的同時(shí)，減小水翼的深度，采集更多的波浪能。

2）在傳統(tǒng)水翼前緣，等間距地增加凸起，用以減少大角度震蕩時(shí)水翼表面的渦脫落，提高水翼所能產(chǎn)生的動(dòng)能。

綜合以上兩點(diǎn)措施，提出如圖1 所示的新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置，并將其安裝在大型集裝箱船（KCS）船首兩側(cè)，如圖2 所示。

圖1 新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置Fig.1 New shock hydrofoil auxiliary propulsion device

圖2 安裝裝置后的船模Fig.2 Ship model after installation of device

1 三維數(shù)值波浪水池

1.1 設(shè)置計(jì)算域

本文選用KCS 作為數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)的船型，以其垂線間長LP P為基準(zhǔn)，在KCS 船模周圍建立尺寸為6LPP×4LPP×3LPP的計(jì)算域。船首前方2LPP設(shè)為計(jì)算域入口，水深設(shè)為2LPP，船尾后方3LPP設(shè)為出口，并將出口1.5 倍波長區(qū)域設(shè)為消波區(qū)域。

根據(jù)上述尺寸設(shè)定，建立計(jì)算所需的三維數(shù)值波浪水池，如圖3 所示。

圖3 波浪水池Fig.3 Wave tank

在距離三維數(shù)值波浪水池底部2LPP的高度設(shè)置自由液面，將計(jì)算域劃分為空氣和水2 種介質(zhì)，并設(shè)置波浪的傳播方向?yàn)閄 軸負(fù)向，如圖4 所示。

圖4 自由液面Fig.4 Free liquid surface

1.2 造波與消波

位于自由表面的液體，局部質(zhì)點(diǎn)受風(fēng)力等外界因素的擾動(dòng)，離開原來的平衡位置作周期性上下起伏運(yùn)動(dòng)，并同時(shí)向周圍傳播，從而引起了波浪的產(chǎn)生。在CFD 數(shù)值仿真實(shí)驗(yàn)中，常用的數(shù)值造波法通常有3 種：直接輸入法，仿物理造波法和源造波法。本文在計(jì)算域入口處選用最易仿真模擬同時(shí)具有較高精度的直接輸入法來構(gòu)造本文所需的一階線性規(guī)則波，如圖5 所示。

圖5 一階線性規(guī)則波Fig.5 A linear regular wave

為了預(yù)防因數(shù)值耗散導(dǎo)致的波浪幅值衰減，在模擬船舶航行狀態(tài)之前，先對波浪的生成與傳播進(jìn)行模擬。自由液面附近的網(wǎng)格如圖6 所示。

圖6 自由液面的網(wǎng)格Fig.6 Free liquid surface meshing

以波長6.4 m的入射波為例，通過浪高儀可以得到波長6.4 m的一階線性規(guī)則波波高時(shí)歷圖，如圖7 所示。由圖可得，由直接輸入法構(gòu)造的一階線性規(guī)則波與通過Stokes 理論得到的波基本一致，即說明了在三維數(shù)值波浪水池中運(yùn)用直接輸入法構(gòu)造一階線性規(guī)則波的適用性與準(zhǔn)確性。

圖7 λ=6.4的波高時(shí)歷曲線Fig.7 The time history of wave height at λ=6.4

在三維數(shù)值水池出口處的消波區(qū)域中加入人工阻尼進(jìn)行強(qiáng)制消波，即對流體質(zhì)點(diǎn)在垂直方向的運(yùn)動(dòng)做強(qiáng)制衰減，能夠有效減小波浪在到達(dá)出口處反射對計(jì)算區(qū)域造成的影響，從而起到降低計(jì)算誤差的效果。人工阻尼強(qiáng)制消波的衰減公式為：

式中：wr(x,y,z;t)為經(jīng)過人工阻尼后流體質(zhì)點(diǎn)在垂直方向上的速度；η(x,z)為人工阻尼強(qiáng)制消波的衰減函數(shù)；s，e分別為消波區(qū)域的起點(diǎn)和終點(diǎn)在x方向上的坐標(biāo)；f，b分別為自由液面和水池底部在z方向上的坐標(biāo)；τ為控制參數(shù)。

由于三維數(shù)值水池出口處消波區(qū)域的存在，自由液面在靠近出口處的波面逐漸趨于平靜。達(dá)到穩(wěn)定后自由液面的波形圖如圖8 所示。

圖8 自由波面波形圖Fig.8 Free wavefront waveform

1.3 新型震蕩水翼與船舶的耦合

新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置與KCS 耦合，裝置中水翼的升沉運(yùn)動(dòng)完全跟隨船體變化，縱搖運(yùn)動(dòng)則只受浮子影響。由此建立船、翼耦合后的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系，如圖9 所示。

圖9 船翼耦合后的坐標(biāo)系Fig.9 Coordinate systems of the coupled model

圖中設(shè)立了OsXsYsZs構(gòu)成的船舶運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系以及Of Xf Yf Zf構(gòu)成的水翼運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系。過船舶重心的垂線與水面的交點(diǎn)為 (i,j=3,5)，船舶縱搖運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸為ys，水翼縱搖運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)軸為Yf，船舶與水翼作升沉運(yùn)動(dòng)的方向同為Zf，兩坐標(biāo)系原點(diǎn)Os與Of間水平距離為xb。由此可得船舶與水翼的耦合運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：M為船體的質(zhì)量；Aij為船舶的附加質(zhì)量；Bi j為船舶的阻尼系數(shù)；Cij為船舶的恢復(fù)系數(shù)；Iyy為船舶縱向的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，下標(biāo) (i,j=3,5)分別為升沉與縱搖模態(tài)；Fj，Mj分別為船舶受到的波浪力與轉(zhuǎn)動(dòng)力矩；Lf，Mf分別為水翼受到的升力和轉(zhuǎn)動(dòng)力矩。

2 網(wǎng)格劃分

2.1 重疊網(wǎng)格技術(shù)

重疊網(wǎng)格技術(shù)[4–6]指將計(jì)算域劃分為2 個(gè)或2 個(gè)以上的子域，通過子域的運(yùn)動(dòng)來模擬邊界之間的相對移動(dòng)。這些子域和背景區(qū)域在空間上重疊，經(jīng)過挖洞處理后，非計(jì)算域的網(wǎng)格不參與仿真計(jì)算，重疊區(qū)域的網(wǎng)格通過建立插值關(guān)系來交換流場信息。一般情況下，自由液面處和船體周圍等的網(wǎng)格對模擬船舶航行姿態(tài)的影響較大，所以對這些區(qū)域的網(wǎng)格作局部加密。

2.2 滑移網(wǎng)格技術(shù)

滑移網(wǎng)格技術(shù)[7–8]涉及2 個(gè)或2 個(gè)以上的計(jì)算區(qū)域，相鄰的計(jì)算區(qū)間都存在至少1 個(gè)分界面。在計(jì)算過程中，相鄰計(jì)算區(qū)域間沿網(wǎng)格分界面作相對運(yùn)動(dòng)，并借助提前設(shè)置的邊界條件實(shí)現(xiàn)區(qū)域與區(qū)域間的流場信息交換。在處理螺旋槳的相關(guān)問題時(shí)，2 個(gè)計(jì)算區(qū)域之間只有交界面沿旋轉(zhuǎn)中心的相對滑動(dòng)，而無其他維度的相對運(yùn)動(dòng)，所以一般選用滑移網(wǎng)格技術(shù)。

2.3 劃分計(jì)算網(wǎng)格

對計(jì)算域和零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖10 所示。圖10（a）在計(jì)算域邊緣加大網(wǎng)格以提高計(jì)算效率，在消波區(qū)域沿波的傳播方向逐步減小網(wǎng)格密度以確保消波效果。圖10（b）和圖10（c）因船首尾及裝置周圍的表面曲率變化較大、流場變化劇烈，所以進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。圖10（d）在螺旋槳區(qū)域設(shè)置滑移網(wǎng)格以確保螺旋槳能夠準(zhǔn)確捕捉周圍流場信息。

圖10 部分網(wǎng)格Fig.10 Partial grid

3 計(jì)算與結(jié)果

將裸船以及安裝新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置的船模分別放入一階線性規(guī)則波中，并使其自航，通過計(jì)算對比得到裝置對船舶推進(jìn)性能的影響。首先需要確定船模的自航點(diǎn)轉(zhuǎn)速n，在預(yù)估的n前后分別選取2 個(gè)螺旋槳轉(zhuǎn)速，然后計(jì)算阻力、推力等相關(guān)數(shù)據(jù)并通過插值法可以得到較為準(zhǔn)確的船模自航點(diǎn)轉(zhuǎn)速n，最后根據(jù)n計(jì)算出該工況下的螺旋槳推進(jìn)效率。

本文所有工況的航速均選取船模的設(shè)計(jì)航速2.196 m/s。根據(jù)控制變量法，分別計(jì)算3 組不同波高和3 組不同波長的情況下，加裝輔助推進(jìn)裝置前后的KCS 船模的阻力、推進(jìn)力以及推進(jìn)效率，以體現(xiàn)新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置對船舶的輔助推進(jìn)性能。

3.1 不同波長下船舶推進(jìn)性能分析

計(jì)算模型選取KCS 船模，計(jì)算航速為船模設(shè)計(jì)航速2.196 m/s，波高選取0.08 m，0.09 m 以及0.1 m，波長選取3.2 m，6.4 m 和9.6 m，并且引入推進(jìn)效率來衡量船舶的推進(jìn)性能，用 η0表示，其計(jì)算公式為：

式中：T為螺旋槳推力；Q為轉(zhuǎn)矩；ρ為流體密度；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；D為螺旋槳直徑。

通過CFD 數(shù)值仿真軟件計(jì)算并比較安裝新型震蕩水翼前后各波長下迎浪航行時(shí)的總阻力、螺旋槳推力以及螺旋槳推進(jìn)效率。計(jì)算結(jié)果如表1～表3 所示。

表1 波高0.08 m的計(jì)算結(jié)果Tab.1 Wave height 0.08 m data

表2 波高0.09 m的計(jì)算結(jié)果Tab.2 Wave height 0.09 m data

表3 波高0.1 m的計(jì)算結(jié)果Tab.3 Wave height 0.1 m data

以波高0.09 m的工況為例建立總阻力、螺旋槳推進(jìn)力、螺旋槳推進(jìn)效率關(guān)于波長的折線圖，如圖11 所示。

圖11 波高0.09 m 不同波長下的計(jì)算結(jié)果變化圖Fig.11 Change chart of wave height 0.09 m at different wavelengths data

由圖11（a）可知，船舶在安裝新型震蕩水翼前后受到的阻力隨波長變化的趨勢基本一致，由于新型震蕩水翼改善了船體的水動(dòng)力性能，加裝水翼后船舶所受總阻力在各波長下都要小于裸船。不僅如此，新型震蕩水翼將波浪能轉(zhuǎn)化成動(dòng)能，為船舶航行提供了額外的推力，所以船舶維持設(shè)計(jì)航速所需的螺旋槳推力也會(huì)降低。由圖11（b）可知，安裝新型震蕩水翼后的船舶，以設(shè)計(jì)航速航行所需的螺旋槳推力普遍小于裸船所需的螺旋槳推力。由圖11（c）可知安裝水翼后螺旋槳的推進(jìn)效率在不同波長時(shí)都有所提升，即安裝新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置后，船舶的推進(jìn)性能得到了改善。

圖12 為裸船和加裝裝置船的螺旋槳槳后速度云圖，由圖可得相同環(huán)境下安裝新型震蕩水翼的船舶螺旋槳槳后速度場分布更加均勻，這表明新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置不僅能減小船舶在航行過程中所受阻力，提高螺旋槳推進(jìn)效率，還能改善船舶的耐波性。

圖12 螺旋槳槳后速度場云圖Fig.12 Cloud diagram of the speed field behind the propeller

3.2 不同波高下船舶推進(jìn)性能分析

選取波長為6.4 m，波高分別為0.08 m，0.09 m，0.1 m的相關(guān)數(shù)據(jù)，分析不同波高下安裝水翼前后船舶的總阻力、螺旋槳推力和螺旋槳推進(jìn)效率。

由表4 可知，相同波長下，總阻力、螺旋槳推力都隨波高的增長而增長，但安裝新型震蕩水翼后的船舶以自航速度在航行過程中所受到的總阻力，以及為了維持設(shè)計(jì)航速所需的螺旋槳推力都要明顯小于裸船，同時(shí)推進(jìn)效率也有顯著提升，這說明在不同波高下新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置也較大幅度地改善了船舶在航行過程中的推進(jìn)性能。

表4 波長6.4 m的計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results with a wavelength of 6.4 m

4 結(jié)語

本文運(yùn)用CFD 數(shù)值仿真軟件，以控制變量法，對船模在不同波長、不同波高的規(guī)則波中的航行狀態(tài)進(jìn)行仿真模擬，計(jì)算并且對比分析了裸船與加裝新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置的船模在波浪中航行的總阻力、螺旋槳推力與螺旋槳推進(jìn)效率。結(jié)果表明本文提出的新型震蕩水翼輔助推進(jìn)裝置不僅能夠降低船舶在波浪中受到的航行阻力，還能為船舶提供輔助推力，同時(shí)提高船舶的耐波性，大幅改善了船舶的推進(jìn)性能。

本文在仿真計(jì)算的過程中，為了降低波浪傳播過程中幅值的衰減，同時(shí)不影響計(jì)算效率，自由液面處的網(wǎng)格數(shù)量在波高范圍內(nèi)控制在16～20 個(gè)，在波長范圍內(nèi)控制在80～100 個(gè)，并且為了預(yù)報(bào)結(jié)果的快速性與準(zhǔn)確性，波高方向的網(wǎng)格尺寸與波長方向的網(wǎng)格尺寸之比 (Δz/Δx)控制為1/2 或1/4。此操作經(jīng)驗(yàn)可供參考。