沉管管節(jié)旁拖頂推時螺旋槳推力折損計算分析

姜壽紅

(1.交通部廣州打撈局，廣州 510290；2.廣東省海洋工程施工與水上應急救援工程技術研究中心，廣州 510290)

廣東省在虎門大橋和港珠澳大橋之間的深中通道與港珠澳大橋類似之處是途徑伶仃洋要采用沉管技術。沉管管節(jié)在隧址附近的預制場預制，管節(jié)在浮運過程中，采用多艘旁拖頂推保證管節(jié)航線穩(wěn)定。途徑的航道是淺水航道，并且遭受受潮汐流動影響，航道潮汐橫流水流對管節(jié)的作用一個的橫流，將導致管節(jié)偏航。管節(jié)和旁拖船體會使旁拖頂推時螺旋槳實際發(fā)出的推力會發(fā)生折損。依據(jù)經(jīng)驗，會預留20%～30%的推力折損補償。

影響螺旋槳推力的因素是多方面的。有學者基于求解RANS方程的CFD軟件平臺，采用滑移網(wǎng)格技術模擬螺旋槳的旋轉(zhuǎn)，選擇標準-湍流模式數(shù)值模擬螺旋槳的推力等水動力。推力系數(shù)的預報誤差最大可控制在4.3%以內(nèi)。有學者采用多重滑移網(wǎng)格技術和計算流體力學方法，研究螺旋槳在水下潛器各子系統(tǒng)流場影響下作非定常轉(zhuǎn)艏擺動時的推進特性。計算結(jié)果表明：水下潛器組合體流場對導管螺旋槳的推進特性有不可忽略的影響。有學者采用非定常RANS方程和RNG-湍流模型，使用滑移網(wǎng)格模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)，對槳-舵系統(tǒng)的水動力進行數(shù)值模擬，結(jié)果表明，設計工況扭曲舵能提高敞水效率的效果。有學者采用數(shù)值模擬方法，基于RANS方程和RNG-湍流模型求解流場，利用滑移網(wǎng)格技術處理螺旋槳的旋轉(zhuǎn)，研究偏轉(zhuǎn)角對船后不同位置吊艙導管推進器的系柱推力和轉(zhuǎn)矩影響，將數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗結(jié)果比較，推力計算的最大誤差為11.6%，絕大多數(shù)在5%以內(nèi)。

本文問題主要涉及螺旋槳水動力性能和淺水航道大型鈍體附體的繞流流動。螺旋槳水動力性能研究除了采用試驗研究方法之外，還有大量的無空泡下的黏性數(shù)值模擬研究。文獻[6-7]討論了不同湍流模式對螺旋槳敞水性能計算結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)不同湍流模式的計算結(jié)果比較接近；由于SST-湍流模式與標準-類似，加以改進，目前比其他湍流模型適用范圍更廣泛，在螺旋槳水動力性能計算中也被眾多文獻采用。并且數(shù)值模擬螺旋槳推力的結(jié)果與實驗結(jié)果的誤差在5%～10%，滿足工程精度要求。

對于大型鈍體浮體繞流問題的數(shù)值模擬，隨著計算機性能的提升，可以實現(xiàn)原型計算，從而避免縮小模型計算中邊界層流動和流動分離與原型的差別，使計算精度得到保證。本文采用基于RANS方程和SST-湍流模型，以及應用滑移網(wǎng)格技術實現(xiàn)螺旋槳的旋轉(zhuǎn)運動，展開管節(jié)頂推時螺旋槳推力折損情況分析。計算模型采用實際尺度，包括管節(jié)、旁拖船、導管槳和淺水航道。管節(jié)在具有潮汐橫流速度的淺水航道中浮運?？紤]不同管節(jié)前進速度、不同航道橫流速度和不同螺旋槳轉(zhuǎn)速的影響，分別計算了旁拖位于管節(jié)一側(cè)的前、后位置的流場流動，從計算結(jié)果中提取螺旋槳發(fā)出的推力，分析螺旋槳推力的折損情況。

1 數(shù)值模擬的理論基礎

管節(jié)浮運可近似看做是管節(jié)的勻速直線前進，通過慣性坐標系轉(zhuǎn)換，管節(jié)不動，而水流流向管節(jié)。同時，航道存在橫流，旁拖的螺旋槳旋轉(zhuǎn)。

流體不可壓縮，考慮流體黏性，忽略重力的作用。流動由于螺旋槳的轉(zhuǎn)動，非定常，并視為無空泡現(xiàn)象。忽略自由面波動的影響。

采用有限體積方法求解RANS控制方程，采用SIMPLEC算法進行壓強與速度的耦合迭代求解，時間步進采用一階隱式格式，其他均采用二階迎風格式。

將以上方程結(jié)合流動的初始條件和邊界條件，即可獲得流場的流動和導管槳推力，進而分析螺旋槳的推力折損情況。

數(shù)值模擬方法首先建立模型，確定計算域，并將計算域劃分網(wǎng)格完成流場空間的離散。然后將網(wǎng)格模型導入求解器，設置相關參數(shù)，最后運行求解。收斂標準取10，時間步長0.001 s。

2 建立數(shù)值模擬模型

計算模型包括管節(jié)、旁拖船、導管槳以及淺水航道。由于旁拖船和導管槳沒有圖紙，采用主要參數(shù)接近的拖船和導管槳代替，見圖1。

圖1 管節(jié)、前旁拖和雙槳模型(不含槳支撐結(jié)構(gòu))

管節(jié)為長方體，主尺度為：××=165 m×46 m×10.6 m，干舷取0.2 m。

旁拖船主尺度為：總長37.6 m、型寬10.5 m、型深4.5 m、吃水4.1 m、排水量784.78 t，雙全回轉(zhuǎn)導管槳，為外旋槳。

導管槳直徑=2.5 m，平均螺距比()為1.145,盤面比為0.75，轂徑比為0.167，右旋4葉槳。

實際上，旁拖頂推糾偏時，布置在管節(jié)側(cè)面的前后位置，分別稱為前旁拖和尾旁拖，兩者相距99 m?？赡芮昂蠓謩e布置一艘或者兩艘船，并與管節(jié)有一定夾角。

為簡化計算，考慮前旁拖與尾旁拖距離較遠，忽略其相互影響，并僅計算單條前旁拖或尾旁拖。以及旁拖與管節(jié)的夾角也簡化為只考慮拖輪與管節(jié)縱軸線垂直情況。

2.1 模型和計算域

在建模軟件中，創(chuàng)建的管節(jié)、前旁拖或尾旁拖船、導管槳的模型，以前旁拖為例如圖1所示。因為缺乏資料，模型中將固定螺旋槳的支撐結(jié)構(gòu)部分省略了。尾旁拖相似。

計算域必須足夠大才能保證計算精度，計算域和邊界條件見圖2。

圖2 前旁拖計算域和邊界條件

為了保證橫流到達管節(jié)的流速，將航道在橫流流向管節(jié)一側(cè)的形狀做變化處理，另一側(cè)保留實際航道水底的形狀。

管節(jié)在有橫流的淺水航道中浮運，計算域的邊界包括水流流入的速度入口、水流流出的壓強出口、航道水底，以及管節(jié)、船體、雙槳的固壁面。

由于螺旋槳做旋轉(zhuǎn)運動，在雙槳附近各設置一個包含螺旋槳的旋轉(zhuǎn)域。計算域中有動域，有靜域。通過圓柱形交界面的相對滑移，實現(xiàn)螺旋槳的轉(zhuǎn)動。為了劃分不同類型網(wǎng)格，包括結(jié)構(gòu)網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，加密網(wǎng)格與稀疏網(wǎng)格。

2.2 網(wǎng)格劃分

數(shù)值模擬方法中，網(wǎng)格劃分是關鍵。在流動變化快的地方，網(wǎng)格需要加密；離開管節(jié)遠的地方，流動變化變緩，網(wǎng)格可以稀疏一些，以減小計算量。在固體壁面處，通過創(chuàng)建邊界層網(wǎng)格以便更加準確模擬邊界層的流動，見圖3。

圖3 前旁拖網(wǎng)格劃分

管節(jié)尺度大且是鈍體，計算域范圍也大。而導管螺旋槳附近網(wǎng)格尺度與之相比小了4個量級。這不僅增加了網(wǎng)格劃分的難度，網(wǎng)格數(shù)量也較多。前旁拖模型達網(wǎng)格數(shù)1 063萬，尾旁拖為1 069萬。

3 計算結(jié)果分析

3.1 敞水導管槳計算

首先計算直徑為2.2 m的導管槳的敞水性能，計算結(jié)果與槳設計提供的數(shù)據(jù)比較見圖4。

圖4 直徑2.2 m導管槳的敞水性能曲線

分析表明，進速系數(shù)在=0～07之間時，數(shù)值模擬的推力系數(shù)平均誤差為2.7%，最大誤差為4.75%；轉(zhuǎn)矩系數(shù)平均誤差為4.21%，最大誤差為8.28%；敞水效率平均誤差為4.21%，最大誤差為8%。當進速系數(shù)>0.7時，誤差增大。計算結(jié)果精度較好，滿足工程要求，也表明采用的數(shù)值模擬方法和參數(shù)設置是可靠的。

對于項目需求直徑為2.5 m導管槳建模，計算其敞水推力。

考慮最大橫流速度為0.6 m/s，槳轉(zhuǎn)速=215 r/min，進速系數(shù)=0.067，轉(zhuǎn)速=247 r/min，進速系數(shù)=0.058，分別計算=2.5 m,=0,0.1時的推力，見表1。

表1 D=2.5 m導管槳敞水推力T0

3.2 導管螺旋槳推力折損分析

3.2.1 計算工況和推力折損計算方法

考慮旁拖位于管節(jié)前后位置和2個轉(zhuǎn)速下，管節(jié)浮運速度和橫流速度對旁拖推力的影響。2個轉(zhuǎn)速：=215、247 r/min。

管節(jié)在淺水航道浮運時，管節(jié)前進速度不大于1.0 m/s，航道橫流速度不大于0.6 m/s。計算工況取3個管節(jié)浮運速度：=0、0.5、1.0 m/s，和2種橫流情況：=0、0.6 m/s。

每種工況下，槳或旁拖的推力用表示，推力折損率為

(1)

流場速度云圖見圖5。導管槳位于管節(jié)和旁拖的尾流區(qū)，流場是非均勻的。如果尾流流動定常的話，那么槳旋轉(zhuǎn)1圈的過程中發(fā)出的推力應呈周期性變化。

圖5 n=215 r/min，V管節(jié)=1.0 m/s，V橫流=0.6 m/s時流場的速度云圖

轉(zhuǎn)速=247 r/min、=1.0 m/s、=0.6 m/s時流場的速度云圖與圖5極其相似。

本文是4葉導管槳，轉(zhuǎn)90°之后槳葉位置就重復了，槳或旁拖在定常非均勻的流場中發(fā)出的推力也循環(huán)重復了。

導管槳處的流場是非均勻的，所以以前旁拖導管槳為例，=1.0 m/s、=0.6 m/s，=247 r/min下，槳在90°以內(nèi)每隔30°時的推力折損率，見表2。

表2 導管槳不同轉(zhuǎn)角下的推力折損率及偏差δ

(2)

由于槳旋轉(zhuǎn)1圈時推力折損率的波動不大，在滿足工程精度下，保持相同轉(zhuǎn)速下取相同的螺旋槳轉(zhuǎn)角下的瞬時推力作為式(1)中的推力，進行折損率計算。

3.2.2 前旁拖折損率計算結(jié)果

橫流速度為0、0.6 m/s時，管節(jié)速度變化時推力折損率見圖6、7。槳1+槳2代表2槳發(fā)出的推力合力的折損率，代表1條前旁拖船推力的折損率。

圖6 V橫流=0時前旁拖的推力折損率

圖7 V橫流=0.6 m/s時前旁拖的推力折損率

從圖6、7可見，相同橫流速度，不同轉(zhuǎn)速的推力折損率隨管節(jié)速度的變化趨勢一致，并且轉(zhuǎn)速=215 r/min的折損率大于轉(zhuǎn)速=247 r/min。

圖6顯示，無橫流時，管節(jié)速度增加，導管槳1的推力折損率可能變?yōu)樨撝?，這說明槳的來流速度方向的變化，使實際發(fā)出的推力可稍高于敞水推力。槳1和槳2的平均推力折損率，即前旁拖的折損率，總來講很小。

圖7顯示，=0.6 m/s時，管節(jié)速度增加，槳1、槳2和前旁拖的推力折損率總的來說是增加的。最大推力折損率發(fā)生在=1.0 m/s和轉(zhuǎn)速=215 r/min時，此時前旁拖船的推力折損率為6.6%。

3.2.3 尾旁拖折損率計算結(jié)果

橫流速度為0和0.6 m/s時，管節(jié)速度變化時推力折損率的變化見圖8、9。槳1+槳2同樣為2槳發(fā)出的推力合力的折損率，代表1條尾旁拖的推力折損率。

圖8 V橫流=0時尾旁拖的推力折損率

圖9 V橫流=0.6 m/s時尾旁拖的推力折損率

從圖8、9可見：相同橫流速度，不同轉(zhuǎn)速的推力折損率隨管節(jié)速度的變化趨勢是一致的，并且轉(zhuǎn)速=215 r/min的折損率大于轉(zhuǎn)速=247 r/min。

圖8顯示，無橫流時，管節(jié)速度增加，槳1、槳2和前旁拖的的推力折損率是增加的，并且管節(jié)速度=0.5 m/s的折損率與1.0 m/s的接近程度比與0的更加接近。最大推力折損率發(fā)生在=1.0 m/s和轉(zhuǎn)速=215 r/min時，為9.4%。

圖9顯示，=0.6 m/s時，管節(jié)速度增加，槳2的推力折損率可能變?yōu)樨撝?，這說明槳的來流速度方向的變化，使實際發(fā)出的推力可稍高于敞水推力。

4 結(jié)論

1)通過導管槳敞水性能計算，在進速系數(shù)小于0.7時，推力系數(shù)的計算誤差小于5%，驗證本文數(shù)值模擬的方法可行。

2)在其他因素相同的情況下，不同轉(zhuǎn)速的推力折損率隨管節(jié)速度的變化趨勢是一致的，且較低轉(zhuǎn)速=215 r/min的折損率大于較高轉(zhuǎn)速=247 r/min。

3)尾旁拖所處的流場均勻度高于前旁拖，前旁拖的推力折損率高于尾旁拖。

4)計算單條旁拖最大推力折損率為9.4%，實際預留20%～30%足夠補償螺旋槳推力折損。