王戀舟，郭春雨，蘇玉民,2，張東汗

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.哈爾濱工程大學(xué) 水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

?

自由度開(kāi)放條件下螺旋槳激振力數(shù)值分析

王戀舟1，郭春雨1，蘇玉民1,2，張東汗1

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001； 2.哈爾濱工程大學(xué) 水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，黑龍江 哈爾濱 150001)

船舶在實(shí)際航行中會(huì)發(fā)生升沉和縱傾，為了考察這種姿態(tài)變化后的船舶水動(dòng)力性能與通常以約束模型為基準(zhǔn)的數(shù)值計(jì)算結(jié)果的差異，基于RANS方法以KCS船和KP505槳為研究對(duì)象，采用六自由度運(yùn)動(dòng)模型和疊加旋轉(zhuǎn)模型，進(jìn)行了固定狀態(tài)和自由度開(kāi)放狀態(tài)下的數(shù)值自航實(shí)驗(yàn)，其中非定常流場(chǎng)的數(shù)值傳遞過(guò)程采用重疊網(wǎng)格技術(shù)實(shí)現(xiàn)，將計(jì)算得到的船體周?chē)@流場(chǎng)以及螺旋槳激振力進(jìn)行了對(duì)比分析。計(jì)算結(jié)果表明：自由度放開(kāi)狀態(tài)相比固定狀態(tài)，船舶具有埋艏縱傾，導(dǎo)致二者船艏興波和尾流場(chǎng)存在差異；以固定模型開(kāi)展數(shù)值自航實(shí)驗(yàn)得到的船艉脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)結(jié)果相比于自由度開(kāi)放狀態(tài)存在一定的過(guò)度預(yù)報(bào)現(xiàn)象。

KCS船；姿態(tài)變化；重疊網(wǎng)格；脈動(dòng)壓力；螺旋槳激振力；RANS方法；自由度開(kāi)放；水動(dòng)力

水面艦船航行時(shí)在艉部會(huì)形成不均勻伴流場(chǎng)，工作在船后的螺旋槳會(huì)因此產(chǎn)生周期性變化的力，即為激振力[1]。螺旋槳激振力主要分為兩類(lèi)，即軸承力和表面力。以葉頻為基頻的脈動(dòng)力和力矩作用在槳葉上并通過(guò)軸系傳到船體，稱(chēng)之為軸承力；通過(guò)流體傳遞給船表面的壓力，稱(chēng)為表面力。航行于水面的船體在周期性激振力的作用下會(huì)出現(xiàn)一定程度的振動(dòng)，船體振動(dòng)對(duì)船上的儀器設(shè)備會(huì)產(chǎn)生不良影響，使其不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)甚至壽命減短；伴隨船體振動(dòng)產(chǎn)生的噪聲更是會(huì)危及船上工作人員的身體健康，干擾水下生物的的正常生活從而破壞生態(tài)環(huán)境，影響軍用艦艇的聲隱身性能[2-3]。傅慧萍計(jì)算了3100TEU船體尾部螺旋槳誘導(dǎo)的船體表面脈動(dòng)壓力，并探討了網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，結(jié)果表明采用MRF方法最容易收斂且推力扭矩計(jì)算精度最高，細(xì)化網(wǎng)格以及增加內(nèi)迭代次數(shù)可以去除由于非定常本身引起的高頻振蕩成分[4]。葉金銘等提出了空泡螺旋槳誘導(dǎo)的雙槳船脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)方法，該方法計(jì)入空泡的影響，并考慮了左右螺旋槳之間的相位差對(duì)脈動(dòng)壓力計(jì)算的影響，計(jì)算結(jié)果表明同時(shí)考慮雙槳的相互影響時(shí)，相位差的影響不可忽略，并建議在進(jìn)行雙槳船脈動(dòng)壓力的試驗(yàn)測(cè)量時(shí)，必須注意雙槳之間相位差的影響[5]。N．Abbas等采用URANS-LES混合模型對(duì)螺旋槳與船體的相互影響效應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果表明采用該方法得到的力與力矩的脈動(dòng)存在較強(qiáng)的峰值，比工程方法得到結(jié)果的三倍還要多[6]。Ye等對(duì)空氣含量對(duì)空泡螺旋槳誘導(dǎo)的脈動(dòng)壓力的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，試驗(yàn)中對(duì)螺旋槳的空泡形態(tài)進(jìn)行了觀察，對(duì)船體脈動(dòng)壓力進(jìn)行了測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氣體含量對(duì)片狀空泡基本沒(méi)有影響，對(duì)氣泡空化和稍渦空化影響較大。脈動(dòng)壓力的幅值隨著氣體含量的減少而增加[7]。Hanshin Seol提出了一種對(duì)螺旋槳非定常片空泡進(jìn)行計(jì)算的方法，即發(fā)展的時(shí)域預(yù)報(bào)方法，并將計(jì)算結(jié)果與基于勢(shì)流理論得到的結(jié)果以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，結(jié)果表明該方法可以提供合理的預(yù)報(bào)結(jié)果，并與實(shí)驗(yàn)值吻合較好[8]。

隨著計(jì)算機(jī)軟硬件和CFD技術(shù)的飛速發(fā)展，基于雷諾平均方法且考慮粘性的復(fù)雜物體繞流場(chǎng)的數(shù)值模擬已經(jīng)基本得到解決。目前正在向高雷諾數(shù)及湍流直接數(shù)值模擬方向發(fā)展，而船舶水動(dòng)力性能計(jì)算發(fā)展到現(xiàn)在，也已經(jīng)從最開(kāi)始的不考慮自由液面的船槳一體計(jì)算，發(fā)展到可以直接進(jìn)行模型尺度下考慮粘性和自由液面的船槳整體計(jì)算，但在進(jìn)行船槳整體CFD計(jì)算時(shí)，考慮船體姿態(tài)變化的不多，大多只進(jìn)行固定狀態(tài)下船槳整體計(jì)算。然而船舶在實(shí)際航行中，必然會(huì)發(fā)生升沉和縱傾，因此模擬真實(shí)條件下的自航實(shí)驗(yàn)是非常有必要的[9-10]。本文基于RANS方法以KCS船和KP505槳為研究對(duì)象，采用六自由度運(yùn)動(dòng)模型、疊加旋轉(zhuǎn)模型以及重疊網(wǎng)格技術(shù)，進(jìn)行了固定狀態(tài)和自由度開(kāi)放狀態(tài)下的數(shù)值自航實(shí)驗(yàn)，對(duì)船體周?chē)@流場(chǎng)以及螺旋槳激振力進(jìn)行了對(duì)比分析。

1 船槳一體數(shù)值計(jì)算方法

1.1 控制方程

不可壓縮牛頓流體的運(yùn)動(dòng)滿(mǎn)足連續(xù)性方程和動(dòng)量守恒方程[11]：

(1)

(2)

1.2 湍流模型和自由液面處理

本文數(shù)值計(jì)算的控制方程采用基于壓力的耦合求解，其中對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行空間離散，耗散項(xiàng)采用二階中心差分格式進(jìn)行離散[12]。由于考慮到模型壁面剪切力的影響，為了能夠較好地模擬強(qiáng)逆壓梯度流場(chǎng)，本文所采用的是SST(shear stress transport)k-ω模型[13]，該模型混合了k-ω模型和k-ω模型的優(yōu)勢(shì)，能夠計(jì)算流動(dòng)分離區(qū)域，是目前二方程湍流模型中最為先進(jìn)的模型之一，在粘性繞流場(chǎng)的計(jì)算方面有很好的優(yōu)勢(shì)。自由液面采用VOF(volume of fluids)方法[14]進(jìn)行捕捉。

1.3 運(yùn)動(dòng)模型

本文計(jì)算采用六自由度運(yùn)動(dòng)模型(DFBI rotation and translation)和疊加旋轉(zhuǎn)模型(DFBI superposed rotation)實(shí)現(xiàn)自由度開(kāi)放狀態(tài)下的數(shù)值自航試驗(yàn)。六自由度運(yùn)動(dòng)模型采用兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)求解六自由度方程，即初始坐標(biāo)系統(tǒng)(地球坐標(biāo)系統(tǒng))和非初始坐標(biāo)系統(tǒng)(船體坐標(biāo)系統(tǒng))，初始坐標(biāo)系統(tǒng)可以定義在地球或者是相對(duì)地球勻速運(yùn)動(dòng)的物體上。非初始坐標(biāo)系統(tǒng)定義在船體上，并且隨著船體的運(yùn)動(dòng)平動(dòng)或者轉(zhuǎn)動(dòng)。如圖1所示，兩個(gè)坐標(biāo)系統(tǒng)在計(jì)算的開(kāi)始是對(duì)齊的，x軸正方向從船艉指向船艏，y軸正方向?yàn)閺淖笙现赶蛴蚁系姆较?，z軸正方向?yàn)榇怪毕蛏稀Ａ杂啥冗\(yùn)動(dòng)方程見(jiàn)參考文獻(xiàn)[15]。

圖1 船體與地球坐標(biāo)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Description of ship and earth systems

模擬自由度放開(kāi)狀態(tài)下船舶自航的難點(diǎn)在于如何實(shí)現(xiàn)螺旋槳隨船運(yùn)動(dòng)，如果在計(jì)算中僅僅使用六自由度運(yùn)動(dòng)模型實(shí)現(xiàn)船體升沉和縱傾兩個(gè)自由度的運(yùn)動(dòng)，會(huì)造成船槳分離，為了實(shí)現(xiàn)放開(kāi)升沉和縱傾兩個(gè)自由度下的船槳一體數(shù)值自航，必須使用疊加旋轉(zhuǎn)模型。疊加旋轉(zhuǎn)模型可以將一個(gè)固定物體的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)疊加到DFBI運(yùn)動(dòng)上去，該模型可以使得螺旋槳依附于船體上，使螺旋槳隨船產(chǎn)生升沉和縱傾成為可能。

2 計(jì)算模型及網(wǎng)格

2.1 計(jì)算模型

本文選取KCS船與KP505槳為研究對(duì)象，其主要參數(shù)見(jiàn)表1和表2。本文的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于2005年?yáng)|京CFD會(huì)議[16]。

表1 KCS船主要參數(shù)

表2 KP505槳主尺度

2.2 邊界條件及網(wǎng)格劃分

圖2為本文船槳一體數(shù)值自航實(shí)驗(yàn)的重疊網(wǎng)格布局和邊界條件，為了模擬升沉和縱傾兩個(gè)自由度放開(kāi)的情況，在船槳一體計(jì)算中應(yīng)用了重疊網(wǎng)格。嵌套在背景網(wǎng)格中的重疊網(wǎng)格區(qū)域中包含有船體與螺旋槳，船后的旋轉(zhuǎn)域中包含有螺旋槳網(wǎng)格，螺旋槳繞槳軸旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。

圖2 邊界條件Fig.2 Boundary conditions

“重疊網(wǎng)格”又叫“嵌套網(wǎng)格”，在進(jìn)行自由度放開(kāi)條件下的數(shù)值自航實(shí)驗(yàn)時(shí)，隨著升沉和縱傾幅度的增大，普通的動(dòng)網(wǎng)格方法如網(wǎng)格變形方法和網(wǎng)格再生方法會(huì)出現(xiàn)網(wǎng)格的異常變形和網(wǎng)格重新生成的低效率問(wèn)題。重疊網(wǎng)格在解決CFD計(jì)算中的兩相流問(wèn)題時(shí)，可以保證自由液面的網(wǎng)格分辨率，并且突破了大幅度運(yùn)動(dòng)時(shí)網(wǎng)格的局限性，能有效地解決非定常問(wèn)題的計(jì)算。重疊網(wǎng)格在船舶CFD中的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)船舶六自由度運(yùn)動(dòng)的模擬。應(yīng)用VOF法對(duì)自由液面進(jìn)行追蹤，可以實(shí)現(xiàn)船舶興波過(guò)程中船艏碎波模擬和船舶升沉以及縱傾的模擬。因此本文應(yīng)用VOF法和重疊網(wǎng)格進(jìn)行固定狀態(tài)與自由度開(kāi)放條件下的船槳整體計(jì)算。

圖3 重疊網(wǎng)格區(qū)域Fig.3 Overset mesh region

圖4為本文的計(jì)算網(wǎng)格，即帶有邊界層與重疊網(wǎng)格的切割體網(wǎng)格，計(jì)算網(wǎng)格整體分為背景網(wǎng)格區(qū)域與重疊網(wǎng)格區(qū)域，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，背景網(wǎng)格中重疊區(qū)域的網(wǎng)格大小要與重疊網(wǎng)格區(qū)域邊界的網(wǎng)格尺寸大小一致，且重疊網(wǎng)格的運(yùn)動(dòng)區(qū)域要限制在重疊區(qū)域內(nèi)。圖5為船體和螺旋槳網(wǎng)格分布。

圖4 重疊網(wǎng)格分布Fig.4 Distribution of overset mesh

圖5 船槳一體網(wǎng)格分布Fig.5 Mesh distribution of hull-propeller

3 計(jì)算結(jié)果分析

3.1 水動(dòng)力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

船模航速設(shè)置為2.196 m/s，螺旋槳轉(zhuǎn)速為9.5 r/s，計(jì)算的時(shí)間步長(zhǎng)取螺旋槳旋轉(zhuǎn)一度所需要的時(shí)間，即為3×10-4s。表3給出了固定狀態(tài)與自由度開(kāi)放狀態(tài)下船槳一體系統(tǒng)水動(dòng)力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比，固定狀態(tài)下，螺旋漿推力、扭矩和船本阻力的計(jì)算誤差分別為2.29%、1.58%和4.56%，自由度開(kāi)放狀態(tài)下，螺旋漿推力、扭矩和船本阻力的課類(lèi)分別為2.50%、1.19%和2.63%，二者在螺旋槳推力與扭矩方面相比實(shí)驗(yàn)值誤差均在3%以?xún)?nèi)，且相差不多，但是二者在船體阻力計(jì)算結(jié)果上有明顯差異，自由度開(kāi)放狀態(tài)阻力計(jì)算結(jié)果更為接近實(shí)驗(yàn)值，是因?yàn)槠湓谟?jì)算過(guò)程中充分考慮了船體姿態(tài)變化。

表3 固定狀態(tài)與自由狀態(tài)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值對(duì)比

Table 3 Comparison of calculation values for fixed and open freedom condition with experiment data

參數(shù)實(shí)驗(yàn)值計(jì)算值固定狀態(tài)自由狀態(tài)推力/N59.9058.5358.40扭矩/N·m2.532.572.50阻力/N90.0085.9087.63

3.2 自由度開(kāi)放狀態(tài)下繞流場(chǎng)數(shù)值分析

圖6為固定狀態(tài)與自由度開(kāi)放狀態(tài)下的自由液面波形圖，從圖中可以看出，二者自由表面波形幾乎一致。相比于自由度開(kāi)放狀態(tài)，自由度固定狀態(tài)的波形等高線更為光順；另外通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，自由度是否開(kāi)放對(duì)艏部波形有一定的影響，在自由度開(kāi)放時(shí)，船舶興起波浪的范圍更大；二者船艉波形基本保持一致。

圖6 自由液面波形Fig.6 Free surface waves

圖7為船艏Vx/V0=0.9渦結(jié)構(gòu)分布圖，顏色分布為Vx/V0=0.9。從圖中可以清晰的看到船艏部球鼻艏興波渦結(jié)構(gòu)、艏肩渦等渦結(jié)構(gòu)。自由度放開(kāi)狀態(tài)相比于固定狀態(tài)具有一定的球鼻艏埋艏現(xiàn)象，球鼻艏處吃水相對(duì)較大，球鼻沖起的船艏部興波較自由度固定狀態(tài)下小，引起的船艏球鼻艏興波渦結(jié)構(gòu)較固定狀態(tài)小。自由度放開(kāi)狀態(tài)下，由于船舶具有埋艏縱傾，船舶艏部與自由表面相交部分吃水面積相比自由度固定狀態(tài)下大，船艏肩渦區(qū)域較自由度固定狀態(tài)下大。

圖7 船艏渦結(jié)構(gòu)分布(Vx/V0=0.9)Fig.7 Vortical structures of the ship bow (Vx/V0=0.9)

圖8給出了以切片形式表示的船舶邊界層分布圖，顏色分布為限制到Vx/V0=0.9的軸向速度，從圖中可以看出，自由度固定狀態(tài)與自由度開(kāi)放狀態(tài)的槳前船身速度邊界層差異不大。自由度固定狀態(tài)與自由度開(kāi)放狀態(tài)的螺旋槳尾流在遠(yuǎn)離螺旋槳后都迅速恢復(fù)成自由流，其中自由度放開(kāi)狀態(tài)下的螺旋槳尾流的平均軸向速度稍大于自由度固定狀態(tài)。

圖8 邊界層和螺旋槳尾流對(duì)比Fig.8 Comparison figure of boundary layer and free wake of propeller

螺旋槳盤(pán)面下游x/Lpp=0.005 9處以船舶航速進(jìn)行無(wú)量綱化的軸向速度分布云圖如圖9所示。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)值，自由度放開(kāi)狀態(tài)與固定狀態(tài)下的計(jì)算都捕捉到了螺旋槳尾流的非對(duì)稱(chēng)特性，以及位于右舷方向的速度最高區(qū)，這里螺旋槳誘導(dǎo)的動(dòng)量最大。二者都準(zhǔn)確預(yù)報(bào)了由于螺旋槳槳轂導(dǎo)致的動(dòng)量損失，在截面中心可以觀察到較強(qiáng)的轂渦。二者軸向速度的分布總體上與實(shí)驗(yàn)值符合較好，但自由度放開(kāi)狀態(tài)相比于固定狀態(tài)更好的捕捉到了截面中心區(qū)域的軸向速度分布。

3.3 自由度開(kāi)放狀態(tài)下螺旋槳激振力數(shù)值分析

為了研究自由度開(kāi)放狀態(tài)與固定狀態(tài)下船槳一體計(jì)算時(shí)的螺旋槳激振力，采取在船艉螺旋槳上方靠近船體表面Z=-0.043 8 m平面上(Z=0 m為水線面)設(shè)置5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的方法，通過(guò)監(jiān)測(cè)這5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)上的脈動(dòng)壓力時(shí)歷變化，來(lái)反應(yīng)螺旋槳在兩種不同工作狀態(tài)時(shí)脈動(dòng)壓力的變化規(guī)律。其中P0位于螺旋槳旋轉(zhuǎn)中心的正上方，5個(gè)觀測(cè)點(diǎn)可默認(rèn)是5個(gè)無(wú)限小的面，然后記錄這些面上的壓強(qiáng)變化，5個(gè)測(cè)點(diǎn)的具體分布如圖10所示。需要說(shuō)明的是，固定狀態(tài)時(shí)，這5個(gè)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)不會(huì)發(fā)生變化；而在進(jìn)行自由度開(kāi)放狀態(tài)下的計(jì)算時(shí)，由于船體姿態(tài)的變化，這5個(gè)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)坐標(biāo)會(huì)發(fā)生變化，但是其相對(duì)船體和螺旋槳的位置始終保持一致，計(jì)算過(guò)程中其坐標(biāo)在船體坐標(biāo)系下進(jìn)行給定，保持其相對(duì)船體重心的位置不變。待計(jì)算收斂后開(kāi)始監(jiān)測(cè)5個(gè)測(cè)點(diǎn)位置處的總壓。

圖9 螺旋槳盤(pán)面下游軸向速度分布(x/Lpp=0.005 9)Fig.9 Axial velocity contours downstream of the propeller plane (x/Lpp=0.005 9)

圖10 測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.10 Measuring points arry

對(duì)螺旋槳推力、扭矩的時(shí)域值進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT)，設(shè)置采樣頻率與時(shí)間步長(zhǎng)一致為3×10-4，將船后螺旋槳推力和扭矩的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，兩種狀態(tài)下船后螺旋槳的推力和扭矩頻域曲線分別如圖11、12所示。從圖中可以看出，船后螺旋槳的軸承力在葉頻BPF(47.5 Hz)整數(shù)倍處均呈現(xiàn)不同程度的峰值，以葉頻處峰值為最大，然后逐漸衰減，400 Hz以后其峰值基本可以忽略不計(jì)，脈動(dòng)幅值頻率分布較為廣泛，在200 Hz以后仍呈現(xiàn)出不同程度的小波峰，說(shuō)明其高頻振蕩成分不可忽略。固定狀態(tài)與自由度開(kāi)放狀態(tài)下的螺旋槳推力與扭矩在一階葉頻處的峰值相差不太多，固定狀態(tài)計(jì)算模型船后螺旋槳的推力在一階葉頻處的峰值大于自由度開(kāi)放狀態(tài)計(jì)算模型。固定狀態(tài)計(jì)算模型船后螺旋槳的扭矩在一階葉頻處的峰值小于自由度開(kāi)放狀態(tài)計(jì)算模型。

圖11 螺旋槳推力脈動(dòng)頻域Fig.11 Frequency domain figure of propeller thrust fluctuation

對(duì)各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的壓強(qiáng)變化進(jìn)行快速傅里葉變換(FFT變換)，設(shè)置采樣頻率與時(shí)間步長(zhǎng)一致為3×10-4，將各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)壓強(qiáng)變化的時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為頻域信號(hào)，即可得到葉頻整數(shù)倍處的脈動(dòng)壓力峰值，固定狀態(tài)與自由度放開(kāi)狀態(tài)下船艉各階脈動(dòng)壓力幅值的條形圖如圖13所示。從葉頻處脈動(dòng)壓力值來(lái)看，位于螺旋槳前方的P2點(diǎn)處脈動(dòng)壓力幅值明顯小于其他幾個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，這是由于自由液面的興波以及水流經(jīng)過(guò)螺旋槳后的擾流作用導(dǎo)致的結(jié)果，而位于螺旋槳正上方測(cè)點(diǎn)P0值最大，這是因?yàn)镻0距離槳葉梢最近，故而P0測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力值也會(huì)最大，位于右舷的P3測(cè)點(diǎn)的值稍大于P1測(cè)點(diǎn)是因?yàn)镵P505槳的右旋造成的。固定狀態(tài)模型船艉各個(gè)測(cè)點(diǎn)的脈動(dòng)壓力幅值的規(guī)律與自由度放開(kāi)狀態(tài)模型基本保持一致。

圖12 螺旋槳扭矩脈動(dòng)頻域Fig.12 Frequency domain figure of propeller torque fluctuation

圖13 船艉各階脈動(dòng)壓力幅值Fig.13 Each order of stern fluctuating pressure amplitude

固定狀態(tài)與自由度放開(kāi)狀態(tài)下船艉測(cè)點(diǎn)各階脈動(dòng)壓力對(duì)比如圖14所示，因?yàn)橐浑A脈動(dòng)壓力為最主要成分，所以只關(guān)注一階脈動(dòng)壓力。從圖中可以看出，各個(gè)測(cè)點(diǎn)自由度開(kāi)放狀態(tài)下的一階脈動(dòng)壓力幅值均小于固定狀態(tài)。這就意味著，往往以固定模型為基準(zhǔn)的數(shù)值自航實(shí)驗(yàn)，其船艉脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)相比于自由度開(kāi)放狀態(tài)存在一定的過(guò)度預(yù)報(bào)現(xiàn)象，這可能是由于自由度放開(kāi)條件下，船模存在一定艏傾的原因。

圖14 兩種狀態(tài)船艉測(cè)點(diǎn)各階脈動(dòng)壓力對(duì)比Fig.14 Comparison of each order of stern fluctuating pressure at the measuring points for the two conditions

4 結(jié)論

1)對(duì)于航行于水面的艦船，船體姿態(tài)的變化會(huì)導(dǎo)致以約束模型為基準(zhǔn)的數(shù)值計(jì)算與實(shí)際情況有所差別。本文基于重疊網(wǎng)格技術(shù)，應(yīng)用六自由度運(yùn)動(dòng)模型與疊加旋轉(zhuǎn)模型實(shí)現(xiàn)了自由度開(kāi)放狀態(tài)下的KCS自航計(jì)算，該方法能夠避免由于船體運(yùn)動(dòng)造成流場(chǎng)網(wǎng)格扭曲與計(jì)算發(fā)散等問(wèn)題，具有較好的穩(wěn)定性，并且該方法充分考慮了船體姿態(tài)的影響。

2)通過(guò)與約束狀態(tài)下的模型計(jì)算結(jié)果對(duì)比，發(fā)現(xiàn)二者在繞流場(chǎng)以及螺旋槳誘導(dǎo)的激振力方面存在差異。自由度放開(kāi)狀態(tài)相比固定狀態(tài)，船舶埋艏縱傾，導(dǎo)致二者船艏興波和尾流場(chǎng)存在差異；固定狀態(tài)與自由度開(kāi)放狀態(tài)下的螺旋槳推力與扭矩在一階葉頻處的峰值相差不多，固定狀態(tài)計(jì)算模型船后螺旋槳的推力在一階葉頻處的峰值大于自由度開(kāi)放狀態(tài)的計(jì)算模型。固定狀態(tài)計(jì)算模型船后螺旋槳的扭矩在一階葉頻處的峰值小于自由度開(kāi)放狀態(tài)計(jì)算模型。各個(gè)測(cè)點(diǎn)自由度開(kāi)放狀態(tài)下的一階脈動(dòng)壓力幅值均小于固定狀態(tài)。

3)往往以固定模型為基準(zhǔn)的數(shù)值自航實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的船艉脈動(dòng)壓力預(yù)報(bào)相比于自由度開(kāi)放狀態(tài)存在一定的過(guò)度預(yù)報(bào)現(xiàn)象。因此在對(duì)螺旋槳誘導(dǎo)的船艉脈動(dòng)壓力進(jìn)行數(shù)值預(yù)報(bào)時(shí)，應(yīng)用本文采用的放開(kāi)自由度的數(shù)值計(jì)算方法能更好的模擬真實(shí)環(huán)境中，由于船舶姿態(tài)發(fā)生變化時(shí)的船舶水動(dòng)力性能，并能對(duì)船槳減振降噪工作提供更有效的指導(dǎo)。

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本文引用格式：

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Numerical study of the propeller-induced exciting force under the open freedom condition

WANG Lianzhou1， GUO Chunyu1， SU Yumin1,2， ZHANG Donghan1

(1.College of Shipbuilding Engineering, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China; 2.Science and Technology on Underwater Vehicle Laboratory, Harbin Engineering University, Harbin 150001, China)

A ship is certain to generate heave and trim in an actual navigation process. To investigate the difference between the hydrodynamic performance after a change in hull gesture and the value calculated based on the constrained model using the method of RANS, a 6-degrees of freedom (DOF) movement model and a superposed rotation model were adopted for a numerical self-propelled experiment under the state of fixation and the state of open DOF. KCS ship and KP505 propeller were used as the research objects. The transfer of numerical values for unsteady flow fields was implemented via overset grid technology. Comparative analysis of the streaming field around a hull and the propeller-induced exciting force was conducted. Compared with the fixation state, the buried bow of the ship is trimmed under open DOF, which leads to differences in wake flow field and bow wave. Compared with the state of open DOF, excessive prediction of the stern fluctuating pressure is observed when a numerical self-propelled experiment is conducted on the basis of a fixed model.

KCS ship; gesture change; overset grid; fluctuating pressure；propeller-induced exciting force; RANS method; open freedom; hydrodynamic

2016-04-16. 網(wǎng)絡(luò)出版日期：2017-04-05.

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41176074，51209048).

王戀舟(1990-)，男，博士研究生； 郭春雨(1981-)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

郭春雨，E-mail: guochunyu_heu@outlook.com.

10.11990/jheu.201604046

http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20170405.1558.012.html

U661.31

A

1006-7043(2017)06-0822-07