孫俊嶺,于 凱

(哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院,黑龍江 哈爾濱 150001)

吊艙推進(jìn)器作為電力推進(jìn)裝置最成功的應(yīng)用,已成為電力推進(jìn)船舶主推進(jìn)裝置的首選.目前,吊艙推進(jìn)器已應(yīng)用于潛水作業(yè)供應(yīng)船、石油鉆井平臺(tái)、補(bǔ)給船、穿梭油輪、滾裝船及游輪等民用船舶,在軍用艦艇上也極具應(yīng)用潛力[1-3].國(guó)外對(duì)吊艙推進(jìn)器進(jìn)行了大量的研究,國(guó)內(nèi)由于起步較晚,與國(guó)外的差距明顯.目前對(duì)吊艙推進(jìn)器的研究,主要方法有試驗(yàn)方法,勢(shì)流理論法和 CFD方法[4-6].

文章采用 FLUENT軟件模擬了吊艙推進(jìn)器在直航、存在偏轉(zhuǎn)角及安裝角時(shí)的性能,分析了偏轉(zhuǎn)角及運(yùn)行角對(duì)吊艙推進(jìn)器性能的影響.

1 CFD基本理論

1.1 控制方程

流體動(dòng)力學(xué)控制方程是一組包括質(zhì)量守恒定律、動(dòng)量守恒定律和能量守恒定律構(gòu)成的微分方程組.本例中流體是不可壓縮流體,也不考慮能量的交換,所以流場(chǎng)的連續(xù)性方程和動(dòng)量方程分別為：

式中：ui、uj為速度分量時(shí)均值(i,j=1,2,3,);P為壓力時(shí)均值;ρ為流體密度;μ為流體粘性系數(shù);gi為重力加速度分量′為雷諾應(yīng)力項(xiàng).方程中的雷諾應(yīng)力項(xiàng)屬于新的未知量,因此,要使方程封閉,必須對(duì)該應(yīng)力項(xiàng)作某種假設(shè),即建立應(yīng)力的表達(dá)式(或引進(jìn)新的湍流模型方程),通過(guò)表達(dá)式或湍流模型,把應(yīng)力項(xiàng)中的脈動(dòng)值與時(shí)均值聯(lián)系起來(lái).

1.2 湍流模型

FLUENT提供的湍流模型包括：?jiǎn)畏匠?spalartallmaras)模型、雙方程模型(標(biāo)準(zhǔn) k-ε模型、重整化群 k-ε模型、可實(shí)現(xiàn)(Realizable)k-ε模型)及雷諾應(yīng)力模型和大渦模擬[7].

文章采用 RNG k-ε模型,該模型是由 Yakhot及Orzag提出的,他們將重整化群(RNG)的方法引入到湍流研究中而得到.在 RNG k-ε模型中,通過(guò)在大尺度運(yùn)動(dòng)和修正后的粘度項(xiàng)體現(xiàn)小尺度的影響,而使這些小尺度運(yùn)動(dòng)有系統(tǒng)地從控制方程中去除.其方程為

式中

1.3 滑移網(wǎng)格技術(shù)

滑移網(wǎng)格技術(shù)的基本原理是將幾何模型網(wǎng)格劃分成幾個(gè)區(qū)域,交界面兩側(cè)網(wǎng)格相互滑動(dòng),而不要求交接面兩側(cè)的網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)相互重合,但要計(jì)算交界面兩側(cè)的通量,使其相等.為了計(jì)算交界面的通量,首先在每一個(gè)新的時(shí)間步確定出交界面兩邊交界區(qū)的重合面.基本上,通過(guò)網(wǎng)格重合面的通量由交界面兩邊交界區(qū)的重合面計(jì)算.交界面區(qū)域是由 A-B、B-C和 D-E、E-F所組成(見(jiàn)圖1).這 2個(gè)區(qū)域的相交產(chǎn)生 d-b、b-e和 e-c,2個(gè)網(wǎng)格單元區(qū)塊在 d-b、b-e和 e-c上的重疊構(gòu)成了內(nèi)部區(qū)域.為計(jì)算通過(guò)單元Ⅲ的通量(D-E上),在計(jì)算過(guò)程中將不考慮 D-E,而是由 d-b和 b-e來(lái)代替,通過(guò)d-b和 b-e分別由單元Ⅰ和單元Ⅱ把流場(chǎng)信息代入到單元Ⅲ中.

數(shù)值模擬計(jì)算直接求解三維粘性不可壓 RANS方程,微分方程的離散采用基于單元中心的有限體積法.擴(kuò)散項(xiàng)被離散成中心差分格式,對(duì)流項(xiàng)用二階迎風(fēng)格式離散,壓力與速度的耦合使用 SIMPLE算法[8].

圖1 靜止網(wǎng)格與滑移網(wǎng)格間數(shù)據(jù)傳遞原理圖Fig.1 Scheme of data transport between stationary grid and sliding grid

2 計(jì)算模型的網(wǎng)格劃分及邊界條件設(shè)定

2.1 計(jì)算模型

文章研究的為加拿大海洋技術(shù)研究所設(shè)計(jì)的吊艙推進(jìn)器[9],表達(dá)吊艙推進(jìn)器幾何形狀的參數(shù)定義見(jiàn)圖2.

該吊艙推進(jìn)器中的螺旋槳和吊艙的主要參數(shù)值如表1、2所示.

圖2 吊艙推進(jìn)器各參數(shù)的意義Fig.2 Meaning of parameters

表1 螺旋槳幾何參數(shù)Table 1 Geometry parameters of the propeller

表2 吊艙的幾何參數(shù)Table 2 Geometry parameters of the pod

2.2 計(jì)算域的確定

采用滑移網(wǎng)格模型計(jì)算時(shí),需要建立 2個(gè)控制域,一個(gè)為包含螺旋槳的運(yùn)動(dòng)域用來(lái)實(shí)現(xiàn)螺旋槳的旋轉(zhuǎn),一個(gè)為純來(lái)流的控制域.兩控制域共用的面設(shè)置為交界面,從而實(shí)現(xiàn) 2個(gè)控制域間能量、速度和溫度等參數(shù)的交換.

文章的所有計(jì)算控制域都取為與螺旋槳同一旋轉(zhuǎn)軸的圓柱體.大域的直徑約為螺旋槳直徑的 5倍,長(zhǎng)度約為整個(gè)吊艙推進(jìn)器直徑的 8倍,進(jìn)口處距離螺旋槳中心約為 2倍吊艙推進(jìn)器螺旋槳直徑,出口處距離螺旋槳中心約為 6倍槳直徑.小域直徑約為螺旋槳直徑的 1.7倍,長(zhǎng)度等于螺旋槳直徑的 1.35倍,如圖3所示.

圖3 計(jì)算域示意圖Fig.3 Sketchmapof calcu lation volume

2.3 網(wǎng)格劃分

采用數(shù)值方法求解控制方程時(shí),都是將控制方程在空間區(qū)域上進(jìn)行離散,然后求解離散的方程組,這就需要網(wǎng)格生成技術(shù).高質(zhì)量的網(wǎng)格是實(shí)現(xiàn)數(shù)值模擬成功的首要條件.過(guò)疏或過(guò)密的網(wǎng)格都會(huì)極大影響計(jì)算結(jié)果.過(guò)疏的網(wǎng)格往往會(huì)得到不精確甚至完全錯(cuò)誤的結(jié)果;過(guò)密的網(wǎng)格會(huì)使計(jì)算量增大,使計(jì)算難以收斂.目前網(wǎng)格分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格兩大類(lèi),由于螺旋槳幾何扭曲較大,不易生成結(jié)構(gòu)網(wǎng)格,且易出現(xiàn)負(fù)體積網(wǎng)格,所以多采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格技術(shù),它可以采用任意形狀的單元作為有限控制體,具有良好的貼體性及自適應(yīng)性,如圖4(a)所示.文中采用局部加密的方法,對(duì)于槳葉與槳轂連接處以及葉梢部分等)進(jìn)行加密,同時(shí)對(duì)艙體及處于槳尾流范圍內(nèi)的支架進(jìn)行加密,以便捕捉到重要的流場(chǎng)信息;而對(duì)于出口段的網(wǎng)格,將其密度適當(dāng)降低,便于控制總網(wǎng)格數(shù),如圖4(b)所示.這樣,在網(wǎng)格模型總節(jié)點(diǎn)數(shù)一定的情況下可以提高計(jì)算精度,還可以避免流場(chǎng)變化平緩區(qū)域的計(jì)算資源浪費(fèi).

圖4 吊艙推進(jìn)器表面的網(wǎng)格劃分Fig.4 Surfacemeshes of podded propeller

2.4 邊界條件的設(shè)定

文章計(jì)算的為均勻來(lái)流中吊艙推進(jìn)器的非定常水動(dòng)力性能,為考察各部分受力隨進(jìn)速變化,將受力在一個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行平均.進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口條件,給定均勻來(lái)流的各速度分量;出口定義為壓力出口;大域及艙體支架表面設(shè)為壁面;壁面設(shè)為無(wú)滑移固壁條件,在近壁區(qū)采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)并考慮壁面粗糙度的影響.大域與小域重合的一組平面設(shè)置為交界面,以便進(jìn)行流場(chǎng)信息的傳遞.運(yùn)動(dòng)域內(nèi)的流體則設(shè)置為繞軸以角速度 n旋轉(zhuǎn).

3 數(shù)值結(jié)果及分析

3.1 吊艙推進(jìn)器的性能

取 4個(gè)進(jìn)速進(jìn)行了計(jì)算,分別為 0.4、0.6、0.8、1.0,將計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[9]進(jìn)行了比較,結(jié)果如圖5和圖6所示.

圖5為吊艙推進(jìn)系統(tǒng)的推力、扭矩、效率計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較.由圖5可以看出,除了在小進(jìn)速,即進(jìn)速為 0.4時(shí)計(jì)算值與試驗(yàn)值差別稍大外,其余進(jìn)速時(shí)二者吻合的較好,且隨著進(jìn)速的增加,吻合程度也提高,總的來(lái)說(shuō),推力和效率的預(yù)報(bào)值略小于試驗(yàn)值.

圖6為吊艙推進(jìn)器的螺旋槳與艙體支架的受力系數(shù)圖,其中螺旋槳的受力系數(shù)定義為 KTP=Tpro/ρn2D4,吊艙的受力系數(shù)定義為 KPOD=FPOD/ρn2D4,Tpro、FPOD分別為吊艙推進(jìn)器的旋轉(zhuǎn)部分與吊艙部分的軸向受力.由圖6可以看出,螺旋槳受力的計(jì)算結(jié)果在低進(jìn)速時(shí)略低于試驗(yàn)值,高進(jìn)速時(shí)略高于試驗(yàn)值,總體而言二者吻合良好,并且螺旋槳的軸向推力總是大于推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)出的推力,這是因?yàn)椴徽撨M(jìn)速高低,吊艙的軸向力總是為負(fù),即阻力.由阻力的比較可得,二者變化趨勢(shì)相同,但計(jì)算的吊艙阻力均大于試驗(yàn)所得阻力,這可能是導(dǎo)致推進(jìn)系統(tǒng)的推力預(yù)報(bào)值小于試驗(yàn)值的原因.

圖5 計(jì)算值與試驗(yàn)值的比較Fig.5 Comparison between the calcu lation resu lts and experimental results

圖6 各部分軸向力隨進(jìn)速的變化Fig.6 Axial forces of differentparts

圖7為吊艙推進(jìn)器的螺旋槳主葉片旋轉(zhuǎn)一周過(guò)程中所發(fā)出的軸向力系數(shù),主葉片起始位置為支架的正前方,即 0°位置.由圖7可以看出,主葉片的推力先變小后變大,這是與該葉片旋轉(zhuǎn)一周經(jīng)過(guò)的流場(chǎng)所決定的,水流速度高,推力小,速度低,推力大.這說(shuō)明由于槳后吊艙的存在,使得螺旋槳處于不均勻流場(chǎng)中,存在高伴流區(qū),而推力最大位置并不處于0°位置,這主要是由螺旋槳的旋轉(zhuǎn)引起水流的旋轉(zhuǎn),使得吊艙誘導(dǎo)的高伴流不是左右對(duì)稱(chēng),而是偏于一側(cè),見(jiàn)圖8和圖9.

圖7 主槳葉旋轉(zhuǎn)一周的受力變化Fig.7 Unsteady force of key blade

圖8 槳葉的壓力分布Fig.8 Pressure distribution of propeller blade

圖9 支架的壓力分布Fig.9 Pressure distribution of strut

3.2 偏轉(zhuǎn)角對(duì)推進(jìn)器性能的影響

吊艙推進(jìn)器的螺旋槳性能較普通螺旋槳好,但是吊艙對(duì)推進(jìn)器受力有較大的影響,計(jì)入吊艙的受力時(shí),整個(gè)推進(jìn)器發(fā)出的力會(huì)小于單純螺旋槳時(shí)的力,所以吊艙推進(jìn)器的優(yōu)越性并不體現(xiàn)在推進(jìn)性能.吊艙推進(jìn)器的優(yōu)越性之一是吊艙可以 360°旋轉(zhuǎn)而發(fā)出各個(gè)方向的推力,極大的增加了船舶的操縱性和機(jī)動(dòng)性.吊艙在回轉(zhuǎn)過(guò)程中的性能較直航時(shí)有較大的變化,目前已引起了各國(guó)研究人員的關(guān)注.定義吊艙推進(jìn)器的軸向力系數(shù)方向?yàn)檠刂?x軸,推力系數(shù)方向沿著螺旋槳的旋轉(zhuǎn)軸,朝向船首為正,計(jì)算了吊艙推進(jìn)器在不同偏轉(zhuǎn)角時(shí)的水動(dòng)力性能,結(jié)果見(jiàn)圖10和圖11.

由圖10和圖11可以看出,隨著偏轉(zhuǎn)角的增大,推力也不斷增大,左右偏轉(zhuǎn)時(shí)推力大小稍有差別但差別不大,具有一定的對(duì)稱(chēng)性.分析其原因,主要是因?yàn)槠D(zhuǎn)時(shí),吊艙的阻塞作用同樣存在,而且使得吊艙推進(jìn)器的來(lái)流相對(duì)的減小,從而推力系數(shù)增大.而偏航時(shí)吊艙推進(jìn)器的軸向力是減小的,偏航角越大,軸向力越小.

圖10 推力系數(shù)及軸向力系數(shù)的變化(J=0.8)Fig.10 Variation of thrust coefficient and axial force coefficient

圖11 主槳葉的軸向力變化(J=0.8)Fig.11 Variation ofaxial force coefficientof key blade

圖12表示的為存在偏轉(zhuǎn)角時(shí)吊艙推進(jìn)器的側(cè)向力變化.當(dāng)?shù)跖撏七M(jìn)器向右偏轉(zhuǎn)時(shí),其側(cè)向力向右,而當(dāng)?shù)跖撏七M(jìn)器像左偏轉(zhuǎn)時(shí),其側(cè)向力向左.左右偏轉(zhuǎn)時(shí),對(duì)應(yīng)吊艙推進(jìn)器的側(cè)向力大小有差別但差別不大,只是方向相反.從側(cè)向力的變化可以看出,偏轉(zhuǎn)時(shí),對(duì)側(cè)向力起主要作用的是初始來(lái)流對(duì)艙體及支架的作用,艙體和支架的形狀對(duì)此力影響較大;此時(shí)螺旋槳旋轉(zhuǎn)引起的水流旋轉(zhuǎn)對(duì)側(cè)向力的貢獻(xiàn)相對(duì)變小.

圖12 吊艙推進(jìn)器各部件的側(cè)向力變化Fig.12 Variation of side force of different parts

圖13 吊艙推進(jìn)器垂向力的變化Fig.13 Vertical force of podded propulsor atdifferent helmangle

圖13表示有偏轉(zhuǎn)角時(shí)吊艙推進(jìn)器的垂向力變化.當(dāng)偏轉(zhuǎn)角為正時(shí),除了 5°角外,其余吊艙推進(jìn)器的垂向力均為正,而偏轉(zhuǎn)角為負(fù)時(shí),垂向力為負(fù),并且吊艙推進(jìn)器垂向力對(duì)正偏轉(zhuǎn)角的敏感性遠(yuǎn)低于負(fù)偏轉(zhuǎn)角時(shí),負(fù)偏轉(zhuǎn)角的垂向力系數(shù)值大于相對(duì)應(yīng)的正偏轉(zhuǎn)角垂向力.

3.3 安裝角對(duì)推進(jìn)器性能的影響

船舶在運(yùn)行過(guò)程中,由于各種不同工況及海況的影響,將會(huì)使得船舶有不同的浮態(tài)而艏艉吃水不同,因而使得吊艙推進(jìn)器的來(lái)流不再沿著水平方向.定義吊艙推進(jìn)器的螺旋槳旋轉(zhuǎn)軸與水平來(lái)流的夾角為安裝角.文章計(jì)算了不同安裝角時(shí)的吊艙推進(jìn)器性能,分析了其對(duì)性能的影響.

由圖14和圖15可以看出,有夾角時(shí)吊艙推進(jìn)器的推力減小,轉(zhuǎn)矩增加,效率降低,安裝角越大,推力越小,轉(zhuǎn)矩越大,效率越低.并且推力和轉(zhuǎn)矩對(duì)角度的敏感性不同,具體表現(xiàn)為,每角度對(duì)應(yīng)的推力減小差別不大,但是在 0°～ 5°時(shí),轉(zhuǎn)矩變化較小,變化至 10°時(shí),轉(zhuǎn)矩的增量變大,變至 15°時(shí)更大.即每偏轉(zhuǎn)單位角度,螺旋槳的推力下降幅度基本相同,而轉(zhuǎn)矩下降量不斷增大,這將導(dǎo)致螺旋槳的功率需求不斷增大.

圖14 推進(jìn)器推力的比較Fig.14 Comparison of thrust of podded propu lsor

圖15 推進(jìn)器轉(zhuǎn)矩的比較Fig.15 Comparison of torque of podded propulsor

4 結(jié)論

采用FLUENT軟件計(jì)算了吊艙推進(jìn)器不同工況下的水動(dòng)力性能,分析了偏轉(zhuǎn)角及安裝角對(duì)推進(jìn)器水動(dòng)力性能的影響,可得如下結(jié)論：

1)吊艙推進(jìn)器的螺旋槳性能較該槳的敞水性能好,但是艙體和支架的力總為阻力,使得推進(jìn)系統(tǒng)的推力低于螺旋槳;

2)由于螺旋槳旋轉(zhuǎn)尾流的影響,使得槳盤(pán)面處的流場(chǎng)不均勻,槳葉上的力先變小后變大;

3)隨著偏轉(zhuǎn)角的增大,推進(jìn)器的推力增大,但軸向力變小,且左右偏轉(zhuǎn)時(shí)具有一定的對(duì)稱(chēng)性;

4)安裝角會(huì)使得吊艙推進(jìn)器的推力減小,轉(zhuǎn)矩增加,效率降低,且單位角度對(duì)應(yīng)得推力下降量差別不大,扭矩下降量越來(lái)越大,這將導(dǎo)致推進(jìn)器的功率需求越來(lái)越大.

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