程 宣 愷

（上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 200032）

0 引 言

能源緊缺、石油價(jià)格上漲、溫室效應(yīng)等問(wèn)題使得節(jié)能減排越來(lái)越引起關(guān)注。船舶航運(yùn)業(yè)消耗大量的能源和排放大量的溫室氣體，因此船舶節(jié)能成為世界各國(guó)造船界和航運(yùn)界研究的重要課題。近年來(lái)，國(guó)際海事組織（IMO）加快了實(shí)施綠色造船、限制新建船舶溫室氣體排放的步伐，推動(dòng)了船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)（EEDI）和能效運(yùn)營(yíng)指數(shù)（EEOI）標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施[1]。EEDI和EEOI的強(qiáng)制執(zhí)行對(duì)船舶行業(yè)有較大的影響，因此，提高船舶能效水平是設(shè)計(jì)人員重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)外正在大量研究采用水動(dòng)力節(jié)能裝置提高EEDI和EEOI。日本三井造船從1986年開始研究在螺旋槳轂帽上安裝與螺旋槳槳葉數(shù)量相同的小鰭片，可以減小螺旋槳后形成的轂渦，從而提高螺旋槳效率。荷蘭Maritime研究中心Dang Jie開展了前置導(dǎo)管、螺旋槳轂帽鰭等節(jié)能裝置的研究[2]。國(guó)內(nèi)一些船舶研究機(jī)構(gòu)也對(duì)螺旋槳轂帽鰭進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究[3～5]，主要研究不同布局的預(yù)旋三角導(dǎo)管對(duì)船舶阻力、自航因子和各效率的影響，優(yōu)選出性能較好的預(yù)旋三角導(dǎo)管布局，然后通過(guò)水池試驗(yàn)驗(yàn)證，為船舶節(jié)能裝置的設(shè)計(jì)提供參考。

1 節(jié)能裝置幾何模型

1.1 預(yù)旋三角導(dǎo)管

采用的節(jié)能裝置是預(yù)旋三角導(dǎo)管，其是一種用于右旋單槳船的節(jié)能導(dǎo)管（見圖 1、2），設(shè)于船尾的螺旋槳20以及船體21之間，其特征為：

1）預(yù)旋三角導(dǎo)管呈扇形結(jié)構(gòu)，從螺旋槳20后側(cè)看，船體中縱剖面的左側(cè)船尾從上到下設(shè)有第二葉子12、第一葉子11，右側(cè)設(shè)有第三葉子13；第一葉子11、第二葉子12以及第三葉子13的長(zhǎng)度相等；第一葉子11的葉根、第二葉子12的葉根以及第三葉子13的葉根分別與螺旋槳軸套22外側(cè)固定連接；導(dǎo)板14的葉背分別與第一葉子11的葉梢、第二葉子12的葉梢以及第三葉子13的葉梢固定連接；

2）第一葉子的剖面、第二葉子的剖面、第三葉子的剖面以及導(dǎo)板的剖面均為機(jī)翼型剖面；

3）第一葉子與船體中縱剖面的夾角為β1，其范圍為70～75°，第二葉子與船體中縱剖面的夾角為β2，其范圍為20～30°，第三葉子與船體中縱剖面的夾角為β3，其范圍為70～75°；

4）從葉根往葉梢的方向看，第一葉子的葉面在螺旋槳軸套上的投影與螺旋槳軸套的軸線的夾角為第一葉子的葉面沿軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α1，其范圍為12～17°；第二葉子的葉面在螺旋槳軸套上的投影與螺旋槳軸套的軸線的夾角為第二葉子的葉面沿軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α2，其范圍為10～15°；第三葉子的葉面在螺旋槳軸套上的投影與螺旋槳軸套的軸線的夾角為第三葉子的葉面沿軸線逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)α3，其范圍為 14～18°；

5）第一葉子11的厚度比、第二葉子12的厚度比以及第三葉子13的厚度比均為10，導(dǎo)板14的厚度比為7（見圖3）；

6）葉子的長(zhǎng)度也要在一定的范圍內(nèi)才能保證良好的節(jié)能效果，葉子的外梢端要在90%R-105%R的范圍內(nèi)，其中R為螺旋槳半徑。

圖1 預(yù)旋三角導(dǎo)管布置

圖2 船體、槳和預(yù)旋三角導(dǎo)管布置

圖3 翼型

1.2 工作原理

采用槳前預(yù)旋原理和加速螺旋槳上部進(jìn)流，使螺旋槳盤面進(jìn)流更加均勻，重點(diǎn)在于降低螺旋槳尾流場(chǎng)因旋轉(zhuǎn)而損失的能量，提高螺旋槳推進(jìn)效率及減少因尾部流動(dòng)分離而附加的形狀阻力。

2 數(shù)學(xué)模型

2.1 控制方程與湍流模式

不可壓縮黏性流體的連續(xù)性方程和RANS方程可寫成如下形式：

由于方程（1）、（2）不是封閉的，因此需要尋求補(bǔ)充關(guān)系-湍流模型，使問(wèn)題封閉，采用SSTk-ω湍流模式進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。SSTk-ω湍流模型在處理近壁處流動(dòng)時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)k-ω湍流模型；在處理邊界層邊緣和自由剪切層時(shí)，采用k-ω湍流模型，更適合于對(duì)流減壓區(qū)的計(jì)算，并且方程還考慮了流動(dòng)的正交發(fā)散項(xiàng)，從而使方程在近壁面處和遠(yuǎn)壁面處都適合。

式（1）～式（4）中各參數(shù)的選取，可參考文獻(xiàn)[6]、[7]。

2.2 建立模型

采用設(shè)計(jì)槳進(jìn)行數(shù)值模擬，在德國(guó)漢堡水池敞水試驗(yàn)的參數(shù)見表1。

表1 螺旋槳的幾何參數(shù)

對(duì)不同布局的預(yù)旋三角導(dǎo)管進(jìn)行了數(shù)值模擬，其分布角度見表2（布局一為不帶預(yù)旋三角導(dǎo)管的一種布局）。

表2 預(yù)旋三角導(dǎo)管布局分布

第一葉子、第二葉子和第三葉子以及α1、α2、α3、β1、β2、β3的意義可參考“節(jié)能裝置幾何模型”部分。預(yù)旋三角導(dǎo)管的三維示意圖見圖4。

船體線型是由上海船舶研究設(shè)計(jì)院優(yōu)化設(shè)計(jì)的，在德國(guó)漢堡的拖曳水池做了阻力和自航試驗(yàn)。其主尺度見表3。舵是實(shí)際尺寸按照比例（324/7.593）縮放，在SHIPFLOW軟件中進(jìn)行建模計(jì)算。

表3 船型的主尺度和幾何參數(shù)

圖4 預(yù)旋三角導(dǎo)管

2.3 計(jì)算區(qū)域與邊界條件

對(duì)于船模阻力和自航試驗(yàn)，船模采用自由模，計(jì)算區(qū)域?yàn)榘雮€(gè)圓柱，進(jìn)行整船計(jì)算，縱向從船艏向前延伸0.5個(gè)船長(zhǎng)，從船艉向后延伸1個(gè)船長(zhǎng)；橫向從中縱剖面向兩側(cè)各延伸2.5個(gè)船長(zhǎng)；垂向從靜水面向下延伸2.5個(gè)船長(zhǎng)（見圖5）。

控制方程使用有限體積法離散，其中對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)差分格式。入口邊界采用速度入口；出口邊界采用自由出流；船體表面為滑移壁面[6,7]。

圖5 船體區(qū)域劃分

2.4 網(wǎng)格數(shù)

采用全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格的拓?fù)潢P(guān)系為：橫向?yàn)镺型網(wǎng)格，縱向?yàn)镠型網(wǎng)格。船模阻力和自航試驗(yàn)的數(shù)值模擬，總網(wǎng)格數(shù)約410萬(wàn)（見圖6）。

圖6 船體、舵、槳和導(dǎo)管區(qū)域的網(wǎng)格形式

3 計(jì)算結(jié)果分析

運(yùn)用SHIPFLOW軟件分別對(duì)帶5種不同布局預(yù)旋三角導(dǎo)管的船模進(jìn)行阻力和自航數(shù)值模擬計(jì)算，從模擬結(jié)果中分析得到水動(dòng)力性能較好的預(yù)旋三角導(dǎo)管(布局四)，然后在德國(guó)漢堡水池進(jìn)行不帶預(yù)旋三角導(dǎo)管的船模（布局一）和帶水動(dòng)力性能較好的預(yù)旋三角導(dǎo)管（布局四）船模進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。

3.1 不同布局的預(yù)旋三角導(dǎo)管對(duì)船模阻力的影響

對(duì)船模帶不同布局預(yù)旋三角導(dǎo)管的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，湍流模型采用SSTk-ω，每種布局的預(yù)旋三角導(dǎo)管模擬一個(gè)速度（設(shè)計(jì)航速）點(diǎn)，弗勞德數(shù)Fr是0.1396，雷諾數(shù)Re是8.228×106。表4為帶不同布局預(yù)旋三角導(dǎo)管船模數(shù)值模擬計(jì)算的總阻力系數(shù)值及試驗(yàn)結(jié)果。

表4 帶不同布局預(yù)旋三角導(dǎo)管的船?？傋枇ο禂?shù)模擬結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果

1）帶預(yù)旋三角導(dǎo)管（布局二、三、四、五）的船?？傋枇ο禂?shù)比不帶預(yù)旋三角導(dǎo)管（布局一）的船模總阻力系數(shù)要大；

2）帶有預(yù)旋角度的三角導(dǎo)管（布局四和五）船模總阻力系數(shù)比無(wú)預(yù)旋角度的三角導(dǎo)管（布局三）船?？傋枇ο禂?shù)大；

3）不同的葉子預(yù)旋角度α1、α2、α3（布局四和布局五比較）對(duì)總阻力系數(shù)有一定的影響；

4）葉子布置角度β2的大?。ú季侄筒季秩容^）對(duì)總阻力系數(shù)也有一定的影響。

出現(xiàn)上面現(xiàn)象的原因分析：

(1) 數(shù)值模擬存在一定的偏差，節(jié)能導(dǎo)管作為小的附體在數(shù)值模擬時(shí)存在離散誤差；

(2) 三角導(dǎo)管中的葉子帶有預(yù)旋，改變了水流的流向，有一定的附加阻力，但葉子的預(yù)旋角度大小不同對(duì)水流的阻礙效果也不一樣；

(3) 葉子布置角度β2=28°，可能是水流動(dòng)耗能較少的角度，對(duì)水流的阻礙較小，因此其也有最佳角度。

在德國(guó)漢堡水池對(duì)裸船體（沒有預(yù)旋三角導(dǎo)管，即布局一）和帶節(jié)能預(yù)旋三角導(dǎo)管（布局四）的船模進(jìn)行了阻力和自航試驗(yàn)。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗(yàn)值比較，布局一的船?？傋枇ο禂?shù)偏差2%，布局四的船模總阻力系數(shù)偏差5%，能滿足應(yīng)用要求。

數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果有偏差的原因分析：

1）湍流模型都是SSTk-ω，并不能完全模擬真實(shí)的湍流；

2）邊界條件：入口湍流特征量的給定是基于經(jīng)驗(yàn)公式，未能保證與試驗(yàn)一致；出口邊界條件使用自由出流，也未能保證與試驗(yàn)一致；

3）船體由網(wǎng)格來(lái)離散，目前的網(wǎng)格數(shù)量還不能完全保證離散后的船體和真實(shí)的船體完全一致；

4）預(yù)旋三角導(dǎo)管作為一個(gè)小的節(jié)能附體，在網(wǎng)格劃分和與船體網(wǎng)格嵌套上可能存在影響計(jì)算精度的因素。

3.2 不同布局的預(yù)旋三角導(dǎo)管對(duì)船模自航的影響

對(duì)于船模自航數(shù)值模擬，SHIPFLOW軟件是基于純粹自航法進(jìn)行數(shù)值模擬的，即根據(jù)船模速度Vm時(shí)的強(qiáng)制力FD值，事先在船模上予以扣除，使得拖曳力Z等于強(qiáng)制力FD，然后調(diào)節(jié)螺旋槳的轉(zhuǎn)速，使其發(fā)出的推力恰能克服阻力(Rm-FD)，保持船模速度和拖車的速度Vm相等。

船模自航數(shù)值模擬的區(qū)域和網(wǎng)格劃分，邊界條件的設(shè)定和湍流模式的選擇和阻力模擬的一致，額外加入了螺旋槳敞水特征數(shù)值和螺旋槳的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，模擬真實(shí)的螺旋槳運(yùn)動(dòng)。模擬了一個(gè)速度點(diǎn)（設(shè)計(jì)航速）的自航，弗勞德數(shù)Fr為0.1396，換算到實(shí)船的航速為15.5kn，自航模擬的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果見圖7。

圖7 帶不同布局預(yù)旋三角導(dǎo)管的自航因子模擬結(jié)果及試驗(yàn)結(jié)果

1）帶預(yù)旋三角導(dǎo)管（布局二、三、四、五）的船模伴流分?jǐn)?shù)比不帶預(yù)旋三角導(dǎo)管(布局一)船模的伴流分?jǐn)?shù)有大幅度提高；

2）帶有預(yù)旋角度的三角導(dǎo)管（布局四和五）船模伴流分?jǐn)?shù)比無(wú)預(yù)旋角度的三角導(dǎo)管（布局三）船模伴流分?jǐn)?shù)大；

3）不同的葉子預(yù)旋角度α1、α2、α3（布局四和布局五）對(duì)伴流分?jǐn)?shù)有一定的影響；

4）葉子布置角度β2的大?。ú季侄筒季秩龑?duì)比）對(duì)伴流分?jǐn)?shù)也有影響；

5）帶預(yù)旋三角導(dǎo)管（布局二、三、四、五）的船模推力減額比不帶預(yù)旋三角導(dǎo)管（布局一）船模的推力減額增大；

6）帶預(yù)旋三角導(dǎo)管（布局二、三、四、五）的船模相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率比不帶預(yù)旋三角導(dǎo)管（布局一）船模的相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率也有一定的變化。

出現(xiàn)上面現(xiàn)象的原因分析：

(1) 預(yù)旋三角導(dǎo)管集中和加速了螺旋槳上部進(jìn)流，使螺旋槳盤面進(jìn)流更加均勻；

(2) 預(yù)旋三角導(dǎo)管帶有預(yù)旋角度，使得流經(jīng)導(dǎo)管的水流有旋轉(zhuǎn)效果，降低了螺旋槳尾流場(chǎng)因旋轉(zhuǎn)而損失的能量；

(3) 葉子預(yù)旋角度大小影響水流流出導(dǎo)管的方向，存在和螺旋槳旋轉(zhuǎn)配合的最佳方向角；

(4) 第二片葉子把流入導(dǎo)管的水流分成兩個(gè)部分，水流量的比例也會(huì)影響螺旋槳的效率；

(5) 導(dǎo)管對(duì)推力減額和相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率的影響比較復(fù)雜，和船、槳、導(dǎo)管的相互作用關(guān)系密切，需進(jìn)一步研究和探討。

4 總體分析

利用SHIPFLOW軟件數(shù)值模擬了某船的快速性試驗(yàn)以及節(jié)能附體、槳、舵和船體相互干擾的情況，計(jì)算其自航因子和效率，優(yōu)選出水動(dòng)力性能較好的節(jié)能裝置，與試驗(yàn)進(jìn)行比較，驗(yàn)證了整個(gè)模擬過(guò)成及方法的可行性。總體分析各數(shù)值模擬的結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果如下：

4.1 阻力數(shù)值模擬

(1) 帶預(yù)旋三角導(dǎo)管的船?？傋枇ο禂?shù)比不帶預(yù)旋三角導(dǎo)管的船?？傋枇ο禂?shù)要大；

(2) 帶有預(yù)旋角度的三角導(dǎo)管船?？傋枇ο禂?shù)比無(wú)預(yù)旋角度的三角導(dǎo)管船模總阻力系數(shù)大；

(3) 不同的葉子預(yù)旋角度α1、α2、α3和葉子布置角度β2對(duì)總阻力系數(shù)有一定的影響。

4.2 自航數(shù)值模擬

(1) 帶預(yù)旋三角導(dǎo)管的船模伴流分?jǐn)?shù)比不帶預(yù)旋三角導(dǎo)管船模的伴流分?jǐn)?shù)有較大提高；

(2) 帶有預(yù)旋角度的三角導(dǎo)管船模伴流分?jǐn)?shù)比無(wú)預(yù)旋角度的三角導(dǎo)管船模伴流分?jǐn)?shù)大；

(3) 不同的葉子預(yù)旋角度α1、α2、α3和葉子布置角度β2對(duì)伴流分?jǐn)?shù)有影響；

(4) 帶預(yù)旋三角導(dǎo)管的船模推力減額比不帶預(yù)旋三角導(dǎo)管船模的推力減額增大；

(5) 帶預(yù)旋三角導(dǎo)管的船模相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率與不帶預(yù)旋三角導(dǎo)管船模的相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率相比有變化。

4.3 數(shù)值模擬和試驗(yàn)比較

(1) 阻力方面：布局一的船模總阻力系數(shù)偏差為2%，布局四的船模總阻力系數(shù)偏差為5%；

(2) 自航方面：數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果比較有偏差，數(shù)值模擬結(jié)果可作為定性分析的依據(jù)。

5 結(jié) 語(yǔ)

從上面的分析可知，阻力計(jì)算結(jié)果精度基本能達(dá)到工程應(yīng)用的要求，自航計(jì)算結(jié)果的精度尚未完全達(dá)到工程應(yīng)用的要求，有待于進(jìn)一步提高，自航數(shù)值模擬的整個(gè)思路可以給線型設(shè)計(jì)和螺旋槳設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 張?jiān)椒? 船用水動(dòng)力節(jié)能裝置分析[J]. 上海造船，2010, (2): 7-13.

[2] Jie Dang, Hao Chen, Guoxiang Dong. An Exploratory Study on the working Principles of Energy Saving Devices (ESDa) [A].Symposium on Green Ship Technology [C]. Wuxi, China, 2011.

[3] 錢文豪，范佘明. 水動(dòng)力附加節(jié)能裝置在內(nèi)河船上的應(yīng)用[A]. 全國(guó)內(nèi)河船學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集[C]. 1995.

[4] 王 超，黃 勝，常 欣，鄭建成. 螺旋槳轂帽鰭水動(dòng)力性能數(shù)值分析[J]. 船海工程，2009，6(38).

[5] 楊仁友，沈泓萃，姚惠之. 帶前置導(dǎo)葉槳潛艇自航試驗(yàn)的數(shù)值模擬與自航因子預(yù)報(bào)[J]. 船舶力學(xué)，2005，9(2).

[6] 程宣愷，周志勇，等. 船模自航試驗(yàn)數(shù)值模擬研究[J]. 船舶與海洋工程，2013, (3): 10-15.

[7] 王福軍. 計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析-CFD軟件原理與應(yīng)用[M]. 船舶力學(xué)，2005，9(2).