胡彬彬，程 濤，程 哲，杜文國，吳少龍，韓海輝，李 健

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

船體與噴水推進裝置相互作用的仿真分析

胡彬彬，程 濤，程 哲，杜文國，吳少龍，韓海輝，李 健

(武漢船用機械有限責任公司，武漢 430084)

研究船體與噴水推進裝置的相互作用，探求噴水推進裝置對船體自航因子的影響。通過提出船體與噴推相互作用的水動力仿真分析方法及仿真建模過程，從實船應(yīng)用出發(fā)，進行了12.9 m鋁制快速測量艇與武漢船用機械有限責任公司的噴水推進裝置WDJ120的相互作用的實船仿真，結(jié)果表明，安裝噴水推進裝置的船體在自航狀態(tài)下會產(chǎn)生較為明顯的負的推力減額及正的伴流分數(shù)，從而有效地提高了船體效率，同時隨著航速的增加，船體效率的提高更為明顯。

噴水推進裝置；仿真分析；自航因子；高速船；相互作用

船體-推進器-主機匹配研究的內(nèi)涵主要是研究和調(diào)整船體、推進器、主機三者間的關(guān)系，使其推進特性滿足系統(tǒng)設(shè)計要求[1]。但從具體表現(xiàn)看，主要反映了主機的工作范圍與推進器的負載特性間的相互關(guān)系的調(diào)整，推進器的負載則與船體航速、船體與推進器的相互作用有關(guān)，通常將其分為主機-推進器、推進器-船體兩個分系統(tǒng)進行研究。推進器包括槳與噴水推進系統(tǒng)，通過采用方式的不同又分為調(diào)距槳、定距槳、管道槳、吊艙、全回轉(zhuǎn)、噴水推進器、泵噴，以及新式的吊艙式噴推等。其中船體-推進器的匹配主要集中在船體-推進器的相互作用方面。通常采用船體效率ηh來反映。

式中：t——推力減額分數(shù)；

w——伴流分數(shù)。

推力減額分數(shù)及伴流分數(shù)可通過自航試驗獲得的。隨著現(xiàn)代數(shù)值仿真技術(shù)的發(fā)展，也有部分學者采用CFD方法來模擬自航試驗[2-3]，用來反映推進器和船體間的相互作用。

對于不同的推進器，推力減額是不同的。當推進器為常規(guī)的螺旋槳時，螺旋槳在船后的抽吸作用增加了船艉的水流速度，從而降低船艉部區(qū)域壓力，使船體壓阻力增加，推力減額分數(shù)一般為正值，即(1-t)始終小于1。與螺旋槳船不同的是，噴水推進器工作時經(jīng)流道從船底吸水，水流經(jīng)泵加速后從噴口高速噴出。進入流道的水流改變船體流場，作用于流道的力及對船體產(chǎn)生的力矩影響船體航態(tài)。當高速時，吸水口破壞了船體表面的邊界層，降低了船體的摩擦阻力，因此有可能導(dǎo)致推力減額t為負值，即(1-t)大于1，從而提高了船體的效率。也有學者研究認為流體作用于進水流道的力抬升了船艉并減小船體縱傾是噴水推進船推力減額為負值的主要原因。負推力減額分數(shù)是噴水推進器制造商及船舶設(shè)計者所追求的，意味著船體-噴水推進適當組合可減小船體阻力，提高推進效率。相關(guān)研究[4-5]表明，齊平式進口噴水推進船推力減額分數(shù)可在-6%～20%之間變動。

噴水推進器與船體的相互作用主要依靠自航試驗確定。第21屆ITTC非常規(guī)推進委員會推薦了噴水推進船模自航試驗規(guī)程，第22屆至24屆委員會不斷完善噴水推進自航試驗技術(shù)。國內(nèi)噴水推進研究起步較晚，目前尚沒有噴水推進臺架試驗平臺，也無噴水推進船模自航試驗統(tǒng)一標準與規(guī)范，所以國內(nèi)大多噴水推進船的快速性計算還依靠國外資料。

1 船體與噴水推進裝置相互作用

船體與噴水推進裝置的相互作用是在推進效率計算中引進船體效率的原因。推進器與船體的相互作用集中在推力減額及船體伴流效應(yīng)。對于噴水推進裝置，目前自航試驗無法定型，且ITTC推薦采用CFD方法來進行研究，所以本文采用計算流體力學技術(shù)進行噴水推進與船體相互作用數(shù)值仿真。

1．1 建模方法

見圖1，從圖1ITTC推薦的試驗及CFD的測試范圍可看出，船體與噴水推進系統(tǒng)的相互作用的主要區(qū)域有：自由表面、進流喉管、噴水推進泵、噴嘴、收縮段、上游來流捕捉面積等。其中，水流進入推進泵前需經(jīng)過進水流道的引流，泵對船體能夠產(chǎn)生的影響區(qū)域體現(xiàn)在流道出口處，泵的旋轉(zhuǎn)對流道進口幾乎沒有影響。且船模自航試驗主要研究噴水推進與船體的相互作用，而非泵的水力性能。與噴水推進推力計算方法類似，ITTC在有關(guān)噴水推進船模自航試驗泵模型的選擇上也有兩種方法[6]：①采用縮比泵，直接測量作用于噴水推進器上的推力；②采用滿足流量要求的任意泵，通過測量流量計算推力。數(shù)值計算采用兩種方法代替泵的作用。①通過數(shù)值模型代替泵的作用，而激盤模型是代替泵作用的模型之一；②在CFD中采用流量邊界條件代替泵作用：數(shù)值計算模型不包括真實泵，而是用泵進口面為流量出口邊界條件來模擬泵抽吸水流作用。用泵出口面為流量進口邊界條件來模擬噴射的射流，其中進出口流量相等。國外采用激盤理論的方法使用較多，對推力進行事先的預(yù)估；國內(nèi)通常采用流量進出口邊界方法，這種方法更為簡單，從本質(zhì)上也是通過預(yù)估的推力來對流量進行計算，從而給定邊界上流量的數(shù)值。文中采用激盤模型替代泵以模擬噴水推進與船體相互作用。

圖1 ITTC定義的測量位置

1.2 船體與噴水推進系統(tǒng)作用的建模理論

文中建立的船體與噴水推進系統(tǒng)的作用給予穩(wěn)定直航的狀態(tài)，即推力與船體阻力相互平衡的。對噴泵的描述采用“動量通量”計算，來評估噴泵的推力、動量及效率特性，將噴泵近似為一個存在壓力差薄激盤。采用雷諾時均方法計算時，激盤模型用于模擬確定推力、轉(zhuǎn)矩系數(shù)及進速系數(shù)的噴泵。當船體阻力與噴泵的推力達到平衡時，計算結(jié)束。計算此航速下的船體阻力，并與裸船的船體阻力對比，獲取推力減額分數(shù)。

在動量定理計算過程中，噴水推進系統(tǒng)推力的凈推力的表達式為

(1)

(2)

cm與航速、船體邊界層厚度及進流面A1的形狀有關(guān)，噴水推進器的進流面一般為半橢圓型，物理自航試驗很難確定半橢圓的長軸與短軸，根據(jù)CFD計算結(jié)果確定進流面形狀及面積則較容易。通過流道出口的來流方向確定進流面。

推力減額分數(shù)t可定義為

Tnet=R

式中：R——船體與噴推系統(tǒng)作用后的船體阻力；

Rhh——裸船阻力。

1.3 船體與噴水推進系統(tǒng)相互作用的建模步驟

船體與噴泵相互作用的建模方法主要包含以下步驟：①計算域建模；②計算域的計算方法及計算模型的設(shè)定；③計算域邊界設(shè)定。

1.3.1 計算域的建模

建模過程主要步驟為船體的建模—噴推進水流道的建?！w與噴推進水流道的組合(在船體中進行挖空)—海水域的建立—海水域與挖空船體的組合(確定流域和固體域)。

對于船體與噴推系統(tǒng)相互作用的計算域建模，當裸船體建模后，噴推系統(tǒng)的流道也需要建立模型，這一模型主要包含了噴推系統(tǒng)的進流管道，噴泵的輪緣及噴嘴部分。當此模型建模完成后，采用海水域與挖空船體的組合即最終確定船體與噴推相互作用的計算域模型。

建模完成后，進行網(wǎng)格劃分，劃分過程中主要對噴水推進的流道區(qū)域網(wǎng)格進行一定的加密。采用的計算域是全區(qū)域。

船模數(shù)值計算區(qū)域為長方體結(jié)構(gòu)。整個計算域由兩部分組成：一是靠近船體周圍的小域：二是遠離船體的大域即水域。水域的進口邊界選在船艏的1倍船長處．水域的出口邊界選在船艉下游3倍船長處。兩邊的邊界距離船體中軸線1.5倍船長，上邊界離中軸線為0.5倍船長，下邊界離中軸線為1.5倍船長。

1.3.2 計算方法及計算模型

在噴水推進與船體的相互作用中考慮波系對船體的影響，采用兩相自由面方法進行求解。湍流模型采用k-ωSST模型。

采用激盤模型時，設(shè)定噴水推進推力，計算中保證船體在航行方向上阻力與推力相同。

2 實船與噴水推進裝置相互作用CFD仿真

2.1 實船模型及船模實驗

所采用的實船為12.9 m鋁制測量快艇。此船在武漢理工大學的拖曳水池進行船模阻力試驗，船模阻力數(shù)據(jù)及相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 12.9 m鋁制測量快艇的船型參數(shù)

采用Pro/E進行船體三維造型，見圖2。

圖2 鋁制測量快艇的船體三維

2.2 裸船及船體-噴推相互作用的CFD仿真

2.2.1 裸船CFD仿真

裸船CFD仿真包括計算域的確定、網(wǎng)格的劃分、計算方法及湍流模型的確定、邊界條件的確定。圖3給出計算域、網(wǎng)格處理結(jié)果。

圖3 裸船CFD計算網(wǎng)格

2.2.2 船體-噴推相互作用的CFD仿真

船體-噴推相互作用中，采用的噴水推進裝置為武漢船用機械公司從澳大利亞DOEN公司引進的噴水推進裝置WDJ100系列中的WDJ120。仿真包含計算域確定、網(wǎng)格劃分、計算方法、湍流模型、激盤模型、邊界條件確定。計算域和網(wǎng)格處理結(jié)果見圖4。

圖4 船體與噴推作用CFD計算域及網(wǎng)格

2.3 裸船船體-噴推相互作用仿真結(jié)果

CFD仿真及船模試驗結(jié)果對比見表2。

表2 總阻力對比結(jié)果

由表2可見，較低Fr時，仿真結(jié)果與試驗結(jié)果非常接近，但Fr逐漸增加時，仿真結(jié)果比船模結(jié)果小，誤差較大。這主要是由于船體高速過程中噴濺阻力占據(jù)的影響因素越來越大，而噴濺阻力采用CFD方法仿真誤差較大，引起船體阻力計算結(jié)果與試驗結(jié)果差距增加。

表3給出不同F(xiàn)r數(shù)時裸船與噴推-船體間的阻力變化。

表3 船體阻力對比結(jié)果

由表3可見，就安裝噴水推進裝置的船體而言，推力減額是負值，即需要的推力比裸船阻力要小，且隨著Fr數(shù)增加，推力減額分數(shù)減小。

不同F(xiàn)r數(shù)時的伴流分數(shù)w見表4。

從表4可以看出，F(xiàn)r數(shù)增加時，伴流分數(shù)增大。所以在高航速狀態(tài)下，船體的推進效率會有所增加。

3 結(jié)論

1)對噴推裝置與船體相互作用的研究表明，當高速船(Fr>0.5)采用噴推裝置時，在高速狀態(tài)下，相比傳統(tǒng)螺旋槳具有負的推力減額分數(shù)，可有效提高推進效率。

表4 伴流分數(shù)計算結(jié)果

2)從船體效率看，在高速狀態(tài)下，裝有噴推裝置的船體的效率通常會大于1，而裝備傳統(tǒng)螺旋槳的船體效率通常會小于1，所以，針對高速船，推薦采用噴水推進裝置作為推進系統(tǒng)。

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Numerical Simulation of Interaction between the Waterjet and Hull

HU Bin-bin, CHEN Tao, CHEN Zhe, DU Wen-guo, WU Sao-long, HAN Hai-hui, LI Jian

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

The interaction between the waterjet and hull is simulated numerically to study the influence of waterjet upon the self-propulsion factor of ship. The simulation method of the waterjet and hull is provided and the interaction simulation for the 12.9m high speed craft and the WDJ120 waterjet is carried out. The simulation results show that, the hull equipped with waterjet will acquire the negative thrust deduction factors and positive wake factor, consequently enhanced the hull efficiency, and the efficiency will be more obvious with the higher speed.

waterjet; numerical simulation; self-propulsion; high-speed craft; interaction

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.015

2014-08-28

國家科技部項目(2013DF80550)

胡彬彬(1981-)男，博士，工程師

U661.31

A

1671-7953(2015)01-0060-04

修回日期：2014-10-13

研究方向:船舶推進系統(tǒng)技術(shù)研究

E-mail:wj_wmmp@126.com