吳朋朋， 劉之嶺， 張育增,2, 高 雁， 陳革洲

(1.無(wú)錫德林船舶設(shè)備有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214191; 2.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110159)

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舵球裝置對(duì)螺旋槳/舵系統(tǒng)水動(dòng)力性能影響的仿真研究

吳朋朋1， 劉之嶺1， 張育增1,2, 高 雁1， 陳革洲1

(1.無(wú)錫德林船舶設(shè)備有限公司， 江蘇 無(wú)錫 214191; 2.沈陽(yáng)理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 遼寧 沈陽(yáng) 110159)

基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)理論和Fluent軟件，采用分區(qū)混合網(wǎng)格方案和運(yùn)動(dòng)參考系法(MRF)，結(jié)合RANS方程和RNG湍流模型計(jì)算螺旋槳與舵、舵球相互干擾的水動(dòng)力性能。研究舵球直徑對(duì)螺旋槳、螺旋槳/舵系統(tǒng)水動(dòng)力性能的影響。結(jié)果表明：舵球直徑與螺旋槳的直徑之比存在最佳匹配范圍，此時(shí)螺旋槳/舵系統(tǒng)的推力增加顯著，螺旋槳的轉(zhuǎn)矩系數(shù)基本不受影響，螺旋槳/舵系統(tǒng)的節(jié)能效果最大為2.413%，可為舵球的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供參考。

舵球 CFD 螺旋槳 MRF 螺旋槳-舵系統(tǒng) 水動(dòng)力性能

0 引言

隨著船舶能效設(shè)計(jì)指數(shù)(EEDI)的實(shí)行，船舶節(jié)能減排引起了各國(guó)科技界和實(shí)業(yè)界的密切關(guān)注，船舶節(jié)能設(shè)計(jì)已成為船舶設(shè)計(jì)開發(fā)階段的主要工作之一。船舶水動(dòng)力節(jié)能裝置(如推力鰭、舵球、前置導(dǎo)管和轂帽鰭等)作為實(shí)現(xiàn)滿足船舶能效設(shè)計(jì)指標(biāo)的技術(shù)手段已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。舵球裝置作為典型的槳后節(jié)能裝置，通過(guò)填充槳轂后方的空間，能夠有效消除轂渦能量損失，提高螺旋槳的周向誘導(dǎo)效率，對(duì)螺旋槳的空泡和激振具有有利影響。同時(shí)，舵球裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便，新舊船舶均可安裝使用，因而獲得了廣泛應(yīng)用。

目前主要通過(guò)模型試驗(yàn)[1-2]和數(shù)值計(jì)算[3-9]，從舵球尺度(舵球長(zhǎng)度和舵球直徑)的角度研究舵球?qū)β菪龢畡?dòng)力性能的影響。試驗(yàn)方面，陳順懷等[1]在船模自航試驗(yàn)中研究了兩種舵球尺寸的節(jié)能效果；裴為民和楊懷蜀[2]在空泡水筒中研究了舵球尺度和舵球/螺旋槳間距對(duì)螺旋槳敞水效率的影響。理論方面，馬騁等[5-6]建立了槳-舵-舵球的水動(dòng)力計(jì)算系統(tǒng)，研究舵球流線型和舵球直徑對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響；李鑫[4]、何苗等[7]建立了舵/槳數(shù)學(xué)模型，討論了舵球尺度對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響。事實(shí)上舵球在消除轂渦能量損失，提高螺旋槳的周向誘導(dǎo)效率的同時(shí)自身的水動(dòng)力亦隨其尺度的變化而變化，影響著螺旋槳/舵系統(tǒng)效率(即節(jié)能效果)的增加，從螺旋槳/舵系統(tǒng)的角度研究舵球的節(jié)能效果正逐漸被采用[4]。

以計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論(CFD)為基礎(chǔ)，建立帶有舵球的螺旋槳/舵系統(tǒng)的計(jì)算模型，在Fluent軟件中進(jìn)行螺旋槳/舵系統(tǒng)的定常水動(dòng)力性能計(jì)算，研究舵球直徑對(duì)螺旋槳/舵系統(tǒng)中的螺旋槳水動(dòng)力性能和系統(tǒng)的水動(dòng)力性能的影響。

1 數(shù)學(xué)模型及計(jì)算方法

1.1 控制方程

控制方程包括不可壓縮流體的連續(xù)性方程和雷諾平均方程(RANS)，形式如下。

1.2 湍流模型

湍流模型采用1986年Yakhot和Orszag用重整化群(Renormalization Group)方法導(dǎo)出的RNG k-ε雙方程模型，該模型的系數(shù)由理論精確計(jì)算而來(lái)，是區(qū)別于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的主要不同之處。

RNG k-ε模型的湍動(dòng)能k和其擴(kuò)散率ε的輸運(yùn)方程表達(dá)如下。

對(duì)于定常不可壓縮流體的湍流計(jì)算，采用SIMPLE算法進(jìn)行壓力速度耦合求解，壓力項(xiàng)采用二階中心差分格式，其它項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行離散。

2 數(shù)值模擬

2.1 三維模型的建立

研究采用MAU4-55螺旋槳，其參數(shù)見表1。舵葉采用NACA66剖面，厚度比為0.2，舵高260 mm，舵寬160 mm，舵桿中心線至舵前緣的距離是舵寬的0.4倍，修改剖面后緣，以增加舵葉強(qiáng)度；舵球剖面為流線形，在舵葉前緣的突出部為半球形。舵葉和舵球剖面如圖1所示。

表1 MAU4-55螺旋槳的幾何參數(shù)

圖1 舵葉和舵球剖面圖

在三維建模軟件中建立螺旋槳，舵和舵球的三維模型，如圖2所示。圖2中，舵的舵桿中心線到螺旋槳中心的距離是螺旋槳直徑的0.514倍。理論上，舵球與槳轂帽之間的距離越小越有利于螺旋槳水動(dòng)力性能的提升[2]，本文在保證槳轂帽具有足夠拆卸空間的前提下，確定舵球末端到槳轂帽間的最短距離為螺旋槳直徑的0.012倍。

圖2 螺旋槳、舵和舵球三維模型

2.2 計(jì)算域設(shè)定

計(jì)算域分為big fluid，mid fluid和small fluid三個(gè)，如圖3所示。圖3中的big fluid和small fluid流域的尺寸設(shè)置與敞水螺旋槳流域的設(shè)置相同；mid fluid流域的直徑是螺旋槳直徑的1.6倍，在進(jìn)口方向的圓柱端面至螺旋槳中心的距離是螺旋槳直徑的0.6倍，在出口方向的圓柱端面至螺旋槳中心的距離是螺旋槳直徑的1.6倍。

圖3 螺旋槳/舵的計(jì)算域

2.3 網(wǎng)格劃分

對(duì)流域采用分區(qū)網(wǎng)格劃分，適當(dāng)降低big fluid流域進(jìn)出口段的網(wǎng)格密度，適當(dāng)加密mid fluid和small fluid流域的網(wǎng)格，這樣有利于控制總網(wǎng)格數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)，不僅可以提高計(jì)算精度，還能夠避免計(jì)算資源的浪費(fèi)。

在ICEM CFD軟件中分別進(jìn)行各流域的網(wǎng)格劃分，big fluid流域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，與螺旋槳和舵相關(guān)的mid fluid和small fluid流域采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，其中螺旋槳和舵表面網(wǎng)格尺寸分別為螺旋槳直徑和舵高的1%，最后進(jìn)行各流域網(wǎng)格合并，圖4為螺旋槳/舵流域網(wǎng)格劃分情況。

圖4 螺旋槳/舵流域網(wǎng)格劃分示意圖

2.4 邊界條件設(shè)定

計(jì)算域的進(jìn)出口設(shè)置為速度進(jìn)口和水流出口。舵、舵球及螺旋槳表面和計(jì)算流域表面設(shè)為壁面，壁面設(shè)置為無(wú)滑移固定邊界。包裹著螺旋槳的small fluid流域的流體采用為運(yùn)動(dòng)參考系模型(即MRF模型)，設(shè)置為繞軸線以1 200 r/min的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，在數(shù)值模擬時(shí)保持轉(zhuǎn)速不變，通過(guò)調(diào)整來(lái)流速度來(lái)改變螺旋槳的進(jìn)速比。各流域間的重疊面分別設(shè)為交界面(interface)，保證各流域間的信息交換。

3 結(jié)果分析

螺旋槳的特征參數(shù)：

式中：J表示螺旋槳的進(jìn)速比；V為來(lái)流速度；D為螺旋槳直徑；n為螺旋槳轉(zhuǎn)速；KT表示螺旋槳的推力系數(shù)；T為螺旋槳推力；ρ為流體密度；KQ表示螺旋槳的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Q為螺旋槳轉(zhuǎn)矩；η表示螺旋槳的效率。對(duì)于與舵和舵球組合的螺旋槳-舵-舵球系統(tǒng)，其推進(jìn)效率KT′和η′效率的表達(dá)形式如下。

式中：TR和TB分別是指舵和舵球在螺旋槳軸線方向產(chǎn)生的水動(dòng)力。

在研究舵球直徑對(duì)螺旋槳/舵系統(tǒng)水動(dòng)力性能影響之前，進(jìn)行了無(wú)舵球的螺旋槳/舵系統(tǒng)的定常仿真計(jì)算，分別獲取了螺旋槳和系統(tǒng)的水動(dòng)力參數(shù)，為研究舵球直徑對(duì)螺旋槳/舵系統(tǒng)水動(dòng)力性能的影響提供對(duì)比數(shù)據(jù)。由于舵球直徑與轂渦區(qū)大小存在匹配問(wèn)題，影響舵球消除轂渦紊流，提高螺旋槳周向誘導(dǎo)效率的作用效果。為研究舵球直徑對(duì)螺旋槳/舵系統(tǒng)水動(dòng)力性能的影響，進(jìn)行了不同舵球直徑d，不同進(jìn)速比J的螺旋槳/舵系統(tǒng)定常仿真計(jì)算。計(jì)算采用的舵球直徑d和螺旋槳直徑D的比值(d/D)分別為：0.144，0.162，0.18，0.198和0.216。

3.1 舵球直徑對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響

圖5～圖7分別為不同舵球直徑時(shí)螺旋槳的推力系數(shù)(KT)，轉(zhuǎn)矩系數(shù)(KQ)和效率(η)的變化情況。其中，ΔKT，ΔKQ和Δη分別為有舵球的螺旋槳/舵系統(tǒng)和無(wú)舵球的螺旋槳/舵系統(tǒng)的螺旋槳推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和效率的相對(duì)變化情況。

圖5 螺旋槳推力系數(shù)的變化情況

圖6 螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)的變化情況

圖7 螺旋槳效率的變化情況

圖8 槳/舵系統(tǒng)推力系數(shù)的變化情況

圖9 槳/舵系統(tǒng)效率的變化情況

從圖5～圖7可以看出：在相同進(jìn)速比時(shí)，隨著舵球直徑的增大，螺旋槳的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和效率基本呈先增加后減小的趨勢(shì)。在J=0.8，d/D為0.198時(shí)，螺旋槳的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和效率的增加存在峰值，分別為3.05%，0.692%和2.34%。舵球直徑的大小對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)的影響較小，螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)的變化小于0.692%。

3.2 舵球直徑對(duì)螺旋槳/舵系統(tǒng)水動(dòng)力性能的影響

圖8和圖9為螺旋槳/舵系統(tǒng)的推力系數(shù)(KT′)和效率(η′)的變化情況。其中，ΔKT′和Δη′分別為有舵球的螺旋槳/舵系統(tǒng)和無(wú)舵球的螺旋槳/舵系統(tǒng)的系統(tǒng)推力系數(shù)和系統(tǒng)效率的相對(duì)變化情況。

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從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，在進(jìn)速比J為0.4～0.5時(shí)，螺旋槳/舵系統(tǒng)的推力系數(shù)和效率的增加處于峰值，與螺旋槳的推力系數(shù)和效率變化情況相比，此時(shí)的進(jìn)速比降低。采用d/D介于0.162～0.198的舵球有利于螺旋槳/舵系統(tǒng)推力和效率的提升，當(dāng)d/D為0.162時(shí)的螺旋槳/舵系統(tǒng)的推力增加了2.394%，當(dāng)d/D為0.18時(shí)的螺旋槳/舵系統(tǒng)節(jié)能效果最大為2.413%。

通過(guò)上述分析，可以發(fā)現(xiàn)：在螺旋槳/舵系統(tǒng)中，舵球直徑對(duì)螺旋槳的推力和效率增加明顯，并隨進(jìn)速比的增加而增大，舵球直徑與螺旋槳直徑之比的最佳匹配值為0.198；但從螺旋槳/舵系統(tǒng)的角度來(lái)看，舵球直徑與螺旋槳直徑之比的最佳范圍為0.162～0.198之間，最大節(jié)能2.413%，但此時(shí)的進(jìn)速比J介于0.4～0.5之間，出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因是，舵球的阻力隨進(jìn)速比J的增加而增大，減小了螺旋槳/舵系統(tǒng)的推力，從而降低了螺旋槳/舵系統(tǒng)的節(jié)能效果。

4 結(jié)論

本文應(yīng)用數(shù)值仿真方法計(jì)算螺旋槳/舵系統(tǒng)的水動(dòng)力性能，對(duì)影響螺旋槳、螺旋槳/舵系統(tǒng)水動(dòng)力性能的舵球直徑進(jìn)行變尺度研究，分別分析螺旋槳、螺旋槳/舵系統(tǒng)水動(dòng)力性能的變化特性，為舵球設(shè)計(jì)時(shí)的參數(shù)選取提供技術(shù)支撐。通過(guò)系統(tǒng)的仿真分析，得出如下結(jié)論：舵球直徑對(duì)螺旋槳轉(zhuǎn)矩系數(shù)影響較小，舵球直徑與螺旋槳直徑之比的最佳范圍為0.162～0.198，此時(shí)螺旋槳/舵系統(tǒng)的推力系數(shù)最大增加2.394%，可起到最大2.413%的節(jié)能效果。

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Simulation Study on Effect on Rudder Ball Device for Propeller/Rudder System Hydrodynamic Performance

WU Peng-peng1, LIU Zhi-ling1, ZHANG Yu-zeng1,2, GAO Yan1， CHEN Ge-zhou1

(1.Wuxi Delin Marine Equipment Co., Ltd., Wuxi Jiangsu 214191， China; 2.School of Mechanical Engineering, Shenyang Ligong University, Shenyang Liaoning 110159， China)

Based on Computational Fluid Dynamics(CFD) theory and Fluent software, the subdomains hybrid meshes method and the moving reference frame(MRF) were adopted to calculation the interaction hydrodynamic performance of propeller, rudder and rudder ball by using the Reynolds-Averaged Navier-Stokes(RANS) equation and RNG turbulence models. The diameter of rudder ball was changed, and the calculation results of the hydrodynamic performance for propeller /rudder system show that there is an optimal matching range between rudder device and propeller device, and the maximum energy saving of propeller/rudder system is 2.413%, technical support for rudder ball design was provided.

Rudder ball Computational Fluid Dynamics (CFD) Propeller Moving Reference Frame (MRF) Propeller-rudder system Hydrodynamic performance

吳朋朋(1983-)，男，工程師，主要從事船舶流體力學(xué)、機(jī)械設(shè)計(jì)方面的工作。

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