李 亮 王 超 孫盛夏 孫 帥

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

船槳舵一體的螺旋槳激振力數(shù)值預(yù)報分析*

李 亮 王 超 孫盛夏 孫 帥

(哈爾濱工程大學(xué)船舶工程學(xué)院 哈爾濱 150001)

采用混合網(wǎng)格技術(shù)，利用RANS方法和VOF模型，對計及自由液面的KCS船槳舵一體系統(tǒng)開展了螺旋槳激振力數(shù)值預(yù)報分析.對裸船體阻力、自由液面和螺旋槳敞水性能進(jìn)行了計算，計算結(jié)果與試驗值吻合良好，驗證了計算方法的可行性.對船槳舵一體系統(tǒng)做非定常計算，得到螺旋槳激振力的時域變化曲線，經(jīng)快速傅里葉變換得到其頻譜曲線.分析得出，螺旋槳各類激振力具有相同的脈動頻率，均在整數(shù)倍葉頻處表現(xiàn)出不同程度的峰值，以葉頻處為最大，然后逐漸衰減為0.另外由于螺旋槳的右旋和尾流擾動，使右舷測點脈動壓力值要大于左舷測點，槳后測點脈動壓力值要大于槳前測點.

螺旋槳；自由液面；伴流；軸承力；脈動壓力

0 引 言

由于船尾螺旋槳在不均勻流場中工作，導(dǎo)致槳葉表面承受周期性的變化力并傳到船體，引發(fā)船體劇烈振動，很容易造成船體構(gòu)件破裂，儀器損壞，艙室振動超標(biāo)，及水下輻射噪聲增強，影響船體結(jié)構(gòu)安全、艙室舒適性和艦船隱身性能，其危害巨大.螺旋槳激振力主要可以分為3類:(1)以葉頻為基頻的脈動力和力矩作用在槳葉上并通過軸系傳到船體，稱為軸承力;(2)通過流體傳遞給船表面的壓力，稱為脈動壓力;(3)舵上產(chǎn)生的脈動力矩通過舵軸傳遞給船體.前二類是主要的，舵力在高速艦艇中也能造成危害性振動.

目前研究螺旋槳激振力的方法主要有模型試驗、經(jīng)驗公式、理論計算和CFD數(shù)值計算.模型試驗可在水池、水筒或循環(huán)水槽中進(jìn)行.英國海運研究所(NMR)自20世紀(jì)60年代以來，已經(jīng)在水筒中做了大量的螺旋槳激振力試驗研究工作，但是都沒有考慮自由液面的影響，并只模擬了軸向伴流.國內(nèi)熊鷹等[1]在減壓拖曳水池中進(jìn)行了一系列的脈動壓力的模型試驗研究，試驗測量結(jié)果表明其脈動壓力的分布和頻率特征符合一般規(guī)律，減壓拖曳水池的測試方法可行.伍銳等[2]在SSSRI空泡水筒中，以網(wǎng)格方法模擬船舶艉部流場，研究了空氣含量對螺旋槳脈動壓力預(yù)報值的影響.脈動壓力計算的經(jīng)驗公式主要有霍爾騰方法[3]、高橋肇方法[4]等，一般用在船舶設(shè)計初級階段預(yù)估船體表面上螺旋槳誘導(dǎo)的脈動壓力，缺點是計算精度不夠，有一定的局限性.隨著CFD數(shù)值計算方法的日益成熟，其計算精度已經(jīng)能滿足工程應(yīng)用. M.C.Alejandro等[5]通過動態(tài)重疊網(wǎng)格技術(shù)分別開展了全尺寸和模型尺寸KCS集裝箱船自航試驗數(shù)值模擬，其計算結(jié)果與試驗值相比吻合度極高；陳如星等[6]利用CFX軟件計算分析了軸向伴流作用下的螺旋槳機(jī)激振力變化規(guī)律，為螺旋槳激振力數(shù)值計算提供了分析方法.

目前針對螺旋槳激振力的研究大多是在模擬軸向伴流的情況下進(jìn)行的，忽略了徑向和周向伴流，對自由液面的影響和舵力脈動也沒給予過多關(guān)注，這與實際螺旋槳工作環(huán)境不符，必然導(dǎo)致螺旋槳激振力數(shù)據(jù)由槳模換算到實槳時會產(chǎn)生較大誤差，因此開展“船-槳-舵”一體并考慮自由液面影響條件下的螺旋槳激振力研究將是非常必要且有實際意義的.本文以KCS船模和KP505槳為研究對象，建立數(shù)值水池模型，利用Fluent軟件對船體阻力、自由液面和螺旋槳敞水性能進(jìn)行了計算和分析，并基于瞬態(tài)二相流計算和分析了時域和頻域條件下的螺旋槳激振力變化規(guī)律.

1 計算模型的建立

1.1 計算對象

本文以標(biāo)準(zhǔn)船模KCS為研究對象標(biāo)模，由圖1可見，KCS船具有明顯的球首和尾部外伸，會產(chǎn)生復(fù)雜的尾波和興波伴流場，為計算螺旋槳激振力提供了很好的伴流環(huán)境，其尺寸見表1.

圖1 KCS船體模型

表1 KCS船模主要參數(shù)

與KCS船模搭配的螺旋槳是KP505槳，其主要參數(shù)見表2.

表2 KP505螺旋槳幾何參數(shù)

1.2 計算域的建立

建立長方體流域模擬試驗水池，為保證來流均勻，入口處距離船首1倍船長；同時假定航行不受池壁的影響，流域側(cè)面和底面距離船體也為1倍船長.考慮到尾流的充分發(fā)展，出口距離船尾為2倍船長.計算域整體模型見圖2.

圖2 計算域的選取

船尾型線曲率大，形狀較為復(fù)雜，不易劃分結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，所以把船尾一小部分和舵單獨拿出來建立一個小流域，進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分.根據(jù)多次的網(wǎng)格劃分經(jīng)驗，小域向后應(yīng)適當(dāng)超過尾封板一小段距離，這樣做有利于提升尾流后網(wǎng)格質(zhì)量，另外船尾流域不要太大，且盡量建立在水線以下，以減少非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格數(shù)目，簡化二相流計算.螺旋槳的旋轉(zhuǎn)小域也建立在船尾流域之內(nèi)，為圓柱狀，圓柱直徑取為1.2倍槳葉直徑，見圖3.

圖3 船尾流域和螺旋槳旋轉(zhuǎn)小域

1.3 網(wǎng)格劃分

船體網(wǎng)格劃分重點主要是在首部和尾部，首部因為球首曲率變化較大，需要采用O型網(wǎng)格進(jìn)行劃分.尾部尾封板呈半圓狀，弧度大，需要進(jìn)行C網(wǎng)劃分.網(wǎng)格分布應(yīng)做到疏密合理，首部和尾部型線收縮較快部位要給予加密.為了捕捉船體波形，自由液面附近也需要進(jìn)行有效加密.考慮到邊界層的影響，船體表面第一層厚度設(shè)置為0.8～1 mm，對應(yīng)的Y+值在60左右.船體中部和底部表面平坦，對計算影響不大，可適當(dāng)減少網(wǎng)格分布，船體表面網(wǎng)格見圖4a).船尾流域非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格劃分相對船體容易，為了控制Y+值，在船尾表面特地生成5層棱柱網(wǎng)格，首層棱柱網(wǎng)格高度為1 mm，而后以1.2倍倍率增長，船尾流域的網(wǎng)格剖面如圖4b).棱柱網(wǎng)格的生成會降低非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格質(zhì)量，生成之后需要進(jìn)行多次光順以提高網(wǎng)格質(zhì)量，以確保計算效率和精度.螺旋槳小域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，進(jìn)一步減少網(wǎng)格總數(shù).利用螺旋槳的旋轉(zhuǎn)周期性，只劃分單片槳葉網(wǎng)格，然后旋轉(zhuǎn)便可得整個螺旋槳的網(wǎng)格，見圖4c).船槳舵一體總計算網(wǎng)格數(shù)目為532萬.

圖4 船體、螺旋槳和舵網(wǎng)格圖

1.4 邊界條件設(shè)置

船體流域進(jìn)口設(shè)置為速度入口V=2.196 m/s，出口利用Fluent用戶自定義函數(shù)(UDF)設(shè)置為壓力出口，出口垂直方向壓強為

(5)

式中：p0為大氣壓；ρ為水的密度；g為重力加速度；z為垂直方向坐標(biāo)值.出口按理也可以設(shè)置為Outflow，但計算中發(fā)現(xiàn)此出口條件下Fluent計算容易浮點溢出，且初始patch后出口處在計算短時間后便大部分被空氣占住，收斂性差.流域頂面設(shè)置為Symmetry，其余邊界面設(shè)置為Moving Wall，絕度速度與入口流速相同.

螺旋槳旋轉(zhuǎn)小域與船尾流域，以及船尾流域與船體大域之間均通過Interface連接，流場通過Interface插值進(jìn)行信息傳遞[7].瞬態(tài)計算時，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，包含螺旋槳的小域部分以570 r/min的轉(zhuǎn)速繞軸旋轉(zhuǎn).

2 計算結(jié)果分析

2.1 裸船體數(shù)值計算結(jié)果

首先對考慮自由液面影響的KCS裸船體進(jìn)行穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬計算.船模航速為2.196 m/s，吃水深度為0.341 8 m.其裸船體阻力收斂曲線見圖5，船體阻力振蕩幅度逐漸減小直到最后收斂，阻力計算值與試驗值[8-9]對比誤差為1.51%，吻合較好，表明船體網(wǎng)格數(shù)目合理，本方法對船體阻力預(yù)報具有較高精度.

圖5 裸船體阻力收斂曲線

圖6 自由液面波形圖對比

圖6為計算所得自由液面波形與試驗值對比圖，總體看來，二者波高值非常接近且波峰和波谷位置也表現(xiàn)一致，尤其是在首部位置，可知CFD計算對自由液面的捕捉效果還是令人滿意的.不足的是波形在船體兩側(cè)消散較快，船尾的短波細(xì)節(jié)捕捉不夠，與試驗值存在一定差異，這主要是迫于計算壓力，遠(yuǎn)離船體區(qū)域的網(wǎng)格數(shù)較為稀疏導(dǎo)致的，如果計算條件允許的話，可以通過增加網(wǎng)格數(shù)目來彌補.

2.2 螺旋槳敞水性能數(shù)值計算結(jié)果

為了驗證螺旋槳水動力性能計算方法的準(zhǔn)確性，在KP505槳最高效率點附近取了4個不同進(jìn)速系數(shù)J=0.6,0.7,0.8,0.9分別進(jìn)行敞水性能計算，然后與試驗值對比.計算采用的方式是把螺旋槳模型置于一個半徑為4倍螺旋槳直徑的同軸圓柱流域中，入口距槳5倍直徑，出口距槳6倍直徑，轉(zhuǎn)速n=570 r/min，通過改變?nèi)肟谒俣葋碚{(diào)節(jié)進(jìn)速系數(shù).計算所得kt,kq,η0和試驗值見圖7，可以看出在最大效率點附近計算值與試驗值非常接近，最大誤差不超過3%，在允許范圍之內(nèi).

圖7 螺旋槳敞水性能

2.3 船槳舵一體水動力性能數(shù)值計算結(jié)果

在上述算例的基礎(chǔ)上把槳舵安置在船體尾部，將三者作為一個系統(tǒng)進(jìn)行非定常計算，使螺旋槳在三向非均勻伴流場中工作，待計算收斂后開始監(jiān)測螺旋槳推力和轉(zhuǎn)矩、舵力，以及船尾表面脈動壓力隨時間的周期性變化規(guī)律.

表3為船槳舵一體水動力性能計算值，與試驗值[9]相比還是存在一定誤差的，尤其是船體阻力，可能的原因是計算時沒有考慮船體姿態(tài)變化，另外船尾Interface網(wǎng)格有小部分處于氣液交界面，數(shù)據(jù)傳遞不夠充分準(zhǔn)確也會導(dǎo)致誤差的出現(xiàn).相比本次計算，試驗工況船尾沒有安置舵，但是計算結(jié)果相差不大，槳的水動力性能誤差均在4%以內(nèi)，這說明雖然舵在槳后有一定的整流作用，但是對于槳的整體性能還是影響很小的.計算結(jié)果顯示舵本身所受阻力約占船體總阻力的3%左右，由于舵處于變動的尾流場中，其舵力脈動值也是值得關(guān)注的.

表3 船槳舵系統(tǒng)水動力計算值與試驗值對比

圖8為無槳與有槳時自由液面的對比，二者幾乎一致，只是在船尾處由于螺旋槳的旋轉(zhuǎn)作用，導(dǎo)致有槳時船尾波峰更為明顯，尾波有所增大.

圖8 無槳與有槳時自由液面對比

2.4 螺旋槳激振力計算結(jié)果分析

2.4.1 表觀伴流場數(shù)值分析

伴流的不均勻性程度極大地決定了螺旋槳激振力的劇烈與否，通過截取船槳舵一體計算工況下螺旋槳緊前方的流場數(shù)據(jù)，可以很好地分析表觀伴流場的軸向、徑向和切向伴流分量的分布.圖9為0.39 s時刻三向表觀伴流分?jǐn)?shù)的等值線.由圖9可見，三向表觀伴流速度分布均不存在對稱性，表明槳葉在旋轉(zhuǎn)1周的過程中其不同半徑處葉剖面攻角處在不斷改變之中，導(dǎo)致葉片將承受周期性的變化力，即激振力.在三向表觀伴流中軸向表觀伴流占主要部分，觀察軸向表觀伴流分?jǐn)?shù)等值線圖發(fā)現(xiàn)上半部分中縱剖面左右兩側(cè)均存在高伴流區(qū)，下半部分槳葉葉梢附近存在明顯的速度閉合區(qū)，整體的伴流分?jǐn)?shù)分布和槳葉數(shù)存在著一定聯(lián)系，等值線在槳葉附近呈徑向外凸，傾斜方向與槳葉旋轉(zhuǎn)方向一致.

圖9 三向表觀伴流分?jǐn)?shù)等值線

2.4.2 螺旋槳軸承力和舵力分析

螺旋槳推力、轉(zhuǎn)矩和舵阻力從0.18 s左右開始呈周期性脈動，其時域變化曲線見圖10a)、c)和e)所示，由圖可知，在旋轉(zhuǎn)1周過程中，單片槳葉的推力和轉(zhuǎn)矩脈動值遠(yuǎn)大于螺旋槳總推力和轉(zhuǎn)矩脈動值，且螺旋槳總推力和轉(zhuǎn)矩均值等于單槳葉推力和轉(zhuǎn)矩均值的5倍，單片槳葉推力和轉(zhuǎn)矩的脈動周期也等于螺旋槳總推力和轉(zhuǎn)矩的脈動周期5倍，這恰好等于螺旋槳槳葉數(shù).處于螺旋槳后的船舵由于螺旋的旋轉(zhuǎn)作用所受阻力也呈周期性變化，其時域曲線為鋸齒狀.時域數(shù)據(jù)經(jīng)過快速傅里葉變換后得到其頻域曲線見圖10b)、d)和f)所示.可以發(fā)現(xiàn)螺旋槳軸承力和舵力具有相同的脈動頻率，在葉頻BPF(47.5 Hz)整數(shù)倍處均呈現(xiàn)不同程度的峰值，以葉頻峰值為最大，然后逐漸衰減，400 Hz以后其峰值基本可以忽略不計，見表4.

表4 螺旋槳軸承力和舵阻力脈動峰值

圖10 螺旋槳軸承力和舵阻力脈動的時域和頻域曲線

3.4.3 船體表面處脈動壓力分析

文獻(xiàn)[10]船體表面處脈動壓力監(jiān)測點布置見圖11，相鄰計算收斂后開始監(jiān)測5個測量點位置處的總壓.其時域變化曲線見圖12a)，c).比較各監(jiān)測點壓強可以得出船體表面附近壓力的變化規(guī)律.其中P2點壓力最小，P4次之，這主要是因為P2點位于螺旋槳之前，受到尾流影響較??；P1壓力最大，P3次之，這主要是由于螺旋槳右旋帶動水流沖擊導(dǎo)致的.

圖11 脈動壓力監(jiān)測點布置位置

將時域數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT處理后得到其頻域變化曲線，見圖12b),d).由圖12b),d)可見，船體表面脈動壓力的峰值同樣出現(xiàn)在葉頻整數(shù)倍處，以葉頻處為最大，然后逐漸衰減為0.比較表5中各監(jiān)測點葉頻處脈動壓力峰值，發(fā)現(xiàn)螺旋槳正上方測點P0最大，后方P4測點最小，P1測點大于P3測點，這主要是因為5個測點都在同一個平面，而P0點位于螺旋槳正上方，距離槳葉葉梢最近，故而P0測點的脈動壓力值也會最大.

圖12 船體表面脈動壓力的時域和頻域曲線

3 結(jié) 論

1) 船體阻力、自由液面波形以及螺旋槳敞水性能的計算結(jié)果與試驗值吻合良好，計算精度滿足要求，表明本文方法準(zhǔn)確可靠.

2) 由船槳舵一體時槳前三向表觀伴流分布情況，獲知螺旋槳在旋轉(zhuǎn)一周過程中始終處于不斷變化的非均勻伴流場中，這是螺旋槳激振力產(chǎn)生的關(guān)鍵原因.

3) 螺旋槳軸承力、舵阻力和船體表面脈動壓力具有相同的脈動頻率，均在葉頻整數(shù)倍處存在不同程度的峰值，以葉頻處為最大，然后逐漸衰減為0.

4) 由于螺旋槳的右旋作用帶動水流沖擊，右舷測點P1壓力值要高于左舷測點P3，另外由于受螺旋槳尾流的影響，槳后方測點P4壓力值要高于槳前方測點P2，最后比較葉頻處的脈動壓力峰值，發(fā)現(xiàn)螺旋槳正上方的測點P0峰值最大，后方P4測點最小，P1測點大于P3測點.

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Numerical Prediction Analysis of Propeller Exciting Force for Hull-propeller-rudder System

*LI Liang WANG Chao SUN Shengxia SUN Shuai

(CollegeofShipbuildingEngineering,HarbinEngineeringUniversity,Harbin150001,China)

The hybrid grid was adopted and numerical prediction analysis of propeller exciting force considering free surface was performed for KCS Hull-Propeller-Rudder system by employing RANS method and VOF model. Firstly, the bare hull resistance, free surface and propeller open water performance were calculated and calculated results are in good agreement with experimental data, thus the feasibility of the calculation method could be verified. Then, the unsteady calculation for KCS Hull-Propeller-Rudder system was conducted. And the time domain curves of propeller exciting force were obtained. The frequency spectrum curves were also provided after Fast Fourier Transform. By analyzing the frequency spectrum data, it is easy to summarize that all kinds of propeller exciting force have the same fluctuation frequency and they all show different degrees of peak in integer times blade frequency. The peak in BFP is maximum and then the peak gradually decays to zero. what's more, fluctuating pressure value in starboard monitoring point is greater than in port monitoring point and it’ value in monitoring point behind propeller is also greater than in front of propeller because of propeller’ right-handed rotation and wake turbulence.

propeller; free surface; wake; bearing force; fluctuating pressure

2015-04-28

*國家自然科學(xué)基金項目(批準(zhǔn)號：51309061)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金(批準(zhǔn)號：HEUCFR1102)資助

U661.1

10.3963/j.issn.2095-3844.2015.04.021

李 亮(1990- )：男，碩士生，主要研究領(lǐng)域為船舶推進(jìn)與節(jié)能技術(shù)