田曉慶，邵漢東，潘玉鵬，潘華辰

（1.杭州電子科技大學(xué) 海洋工程系，杭州 310018；2.揚(yáng)帆船舶設(shè)計(jì)研究院，浙江舟山 316100）

0 引言

近年來(lái)，隨著國(guó)際海事組織IMO（International Maritime Organization）對(duì)船舶安全和溫室氣體排放等標(biāo)準(zhǔn)的提高及 EEDI（Energy Efficiency Design Index）指數(shù)的提出[1]，使我國(guó)乃至全球的船舶工業(yè)都面臨著巨大的挑戰(zhàn)和訂單影響。鑒于此，船舶節(jié)能減排問(wèn)題已提升到前所未有的高度。

螺旋槳轂帽鰭PBCF（Propeller Boss Cap Fins）作為一種船舶節(jié)能裝置，由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便，近年來(lái)已成為船舶行業(yè)研究的熱點(diǎn)之一[2]。實(shí)驗(yàn)研究方面，龔其福[3]等采用反向敞水實(shí)驗(yàn)，對(duì)轂帽鰭的最佳參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)轂帽鰭能提高螺旋槳的推動(dòng)效率。至 2009年，中船重工 702所又采用激光測(cè)速儀（LDV）對(duì)轂帽鰭安裝前后流場(chǎng)的特性進(jìn)行了研究，驗(yàn)證了轂帽鰭能改善螺旋槳的尾流特性[4]。為了進(jìn)一步驗(yàn)證轂帽鰭的節(jié)能效率，文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了PBCF兩種不同安裝方案的對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)PBCF能提高螺旋槳的敞水特性，但是安裝方式對(duì)其驅(qū)動(dòng)效率的影響各異。

隨著計(jì)算流體（Computational Fluid Dynamics，CFD）的發(fā)展，螺旋槳PBCF設(shè)計(jì)和優(yōu)化的數(shù)值模擬研究也日新月異。先后有了Xiong Ying[6]等，對(duì)PBCF形狀的優(yōu)化設(shè)計(jì)，Takafumi Kawamura[7]等對(duì)實(shí)船的數(shù)值模擬，并將其與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了實(shí)船尺度比船模更能提高螺旋槳的推力和效率。上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究院也對(duì)槳-PBCF-舵的水動(dòng)力性能進(jìn)行數(shù)值計(jì)算研究，發(fā)現(xiàn)無(wú)舵時(shí)PBCF的節(jié)能效率高于有舵時(shí)[8]，大連理工大學(xué)還建立了有舵和無(wú)舵狀況下，PBCF的最佳參數(shù)[9]。也有學(xué)者通過(guò) CFD的方法驗(yàn)證了轂帽鰭葉片的安裝角度對(duì)PBCF的節(jié)能效率有較大影響[10]。Jeonghwa Seo[11]等采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)這一結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。

然而，這些研究大都針對(duì)某一種特定的船型，大都是螺旋槳和PBCF的獨(dú)立設(shè)計(jì)。鑒于此，針對(duì)典型的TEU系列大型集裝箱船，以其快速性為研究對(duì)象，對(duì)螺旋槳和PBCF進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)。

1 轂帽鰭的設(shè)計(jì)

選用 TEU系列某一特定的集裝箱船為研究對(duì)象（該船型的特征參數(shù)如表1所示），依次建立船模和實(shí)船的三維數(shù)值計(jì)算模型。

表1 船型參數(shù)表

基于SHIPFLOW中的ZONAL方法，將整個(gè)船體劃分為3個(gè)區(qū)域：勢(shì)流區(qū)、薄邊界層區(qū)和湍流區(qū)。采用面元法，運(yùn)用k-ωSST和EASM湍流模型，結(jié)合無(wú)壁面函數(shù)依次計(jì)算出船體伴流場(chǎng)，并將其作為螺旋槳和轂帽鰭的來(lái)流條件?；诟咝~剖面的流場(chǎng)特性，設(shè)計(jì)出伴流的最佳側(cè)斜和縱傾分布。同時(shí)，適當(dāng)提高螺旋槳根部的環(huán)量，最終設(shè)計(jì)出如圖1所示的適用于該螺旋槳的轂帽鰭，槳和鰭的各個(gè)特征參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 螺旋槳和轂帽鰭

表2 螺旋槳和轂帽鰭的主要參數(shù)

2 槳鰭的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

為避免轂帽鰭的尺寸效應(yīng)影響測(cè)量效果，采用目前國(guó)際上頂級(jí)的空泡水筒進(jìn)行螺旋槳轂帽鰭的增效試驗(yàn)，并將空泡水洞試驗(yàn)中所得到的安裝和未安裝轂帽鰭的螺旋槳敞水性能差量添加到常規(guī)的敞水試驗(yàn)結(jié)果之中。

表3 轂帽鰭模型空泡水筒試驗(yàn)結(jié)果

其中，J表示螺旋槳的進(jìn)速系數(shù)；Kt、Kq，η分別代表螺旋槳帶轂帽鰭和不安裝轂帽鰭時(shí)的推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和敞水效率之比。

槳-鰭和槳本身試驗(yàn)結(jié)果可以看出：添加轂帽鰭可以提升螺旋槳的推力系數(shù)，同時(shí)，降低了其扭矩系數(shù)；并且隨著進(jìn)速系數(shù)的提升，螺旋槳的敞水效率也逐漸提升。

為了充分驗(yàn)證螺旋槳轂帽鰭的作用效果，除空泡水筒增效試驗(yàn)外，還依次進(jìn)行了船模和實(shí)船的敞水試驗(yàn)、阻力試驗(yàn)和自航試驗(yàn)，各個(gè)測(cè)量結(jié)果依次如表4和表5所示。

表4 船模敞水試驗(yàn)結(jié)果

表5 實(shí)船敞水試驗(yàn)結(jié)果

從表4和表5中可以看出：隨著進(jìn)速系數(shù)的提升，推力系數(shù)和扭矩系數(shù)都呈下降趨勢(shì)，螺旋槳的敞水效率呈線性增加（圖2）。

同時(shí)，實(shí)船比船模的敞水效率高一個(gè)百分點(diǎn)左右，并且隨著螺旋槳進(jìn)速系數(shù)的提升，敞水效率的提高速度也有所增加（增幅為0.90%～1.46%）。對(duì)比表5和表6可以看出，添加轂帽鰭的實(shí)船相對(duì)原船原槳，敞水效率均有一定程度的提升，并且隨著進(jìn)速系數(shù)的提升，敞水效率的增幅也有一定的增加（增幅為1.80%～2.11%）。

為進(jìn)一步驗(yàn)證轂帽鰭的優(yōu)越性，采用實(shí)船為研究對(duì)象，先后以帶轂帽鰭和不加裝轂帽鰭的槳鰭船體為研究對(duì)象，依次對(duì)不同航速下，船體結(jié)構(gòu)吃水、設(shè)計(jì)吃水和壓載吃水時(shí)，收到功率進(jìn)行了測(cè)量，具體結(jié)果如表7所示。

表6 帶轂帽鰭實(shí)船試驗(yàn)結(jié)果

圖2 不同進(jìn)速系數(shù)時(shí)，敞水試驗(yàn)效率

其中，DT0表示未添加轂帽鰭的船舶參數(shù)，DT1表示添加轂帽鰭以后所對(duì)應(yīng)的各個(gè)參數(shù)。

對(duì)比優(yōu)化方案與原方案（表7）可以看出：結(jié)構(gòu)吃水時(shí)，相同航速下收到功率降低了近 5%，相同功率下航速提升了0.24 kn；設(shè)計(jì)吃水時(shí)，收到功率降低了8%，相同功率下航速也提高了0.38 kn；壓載吃水時(shí)，相同航速下收到功率降低了近 5%，相同功率下航速提升了0.23 kn。

3 結(jié)論

運(yùn)用船舶設(shè)計(jì)CFD中的槳-船一體化技術(shù)，對(duì)TEU系列某一特定船型的螺旋槳進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并用CFD中伴流模型對(duì)轂帽鰭的性能進(jìn)行了驗(yàn)證。接著，引入船模和實(shí)船的敞水試驗(yàn)，依次進(jìn)行了阻力試驗(yàn)和自航試驗(yàn)，通過(guò)數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)如下結(jié)論。

1）新型帶轂帽鰭的設(shè)計(jì)槳比原船原槳收到功率下降5%～8%，同時(shí)，相同功率下可將船舶的航速提升0.23 kn～0.38 kn。

2）新型帶轂帽鰭的設(shè)計(jì)槳比原船原槳時(shí)，船舶的敞水效率提升近2個(gè)百分點(diǎn)，并且隨著螺旋槳進(jìn)速系數(shù)的提升，船舶敞水效率的提升量也隨之增加。

表7 帶轂帽鰭與不帶轂帽鰭的原槳收到功率

3）船舶任意航速時(shí)，實(shí)船比船模的敞水效率高1個(gè)百分點(diǎn)左右，并且隨著螺旋槳進(jìn)速系數(shù)的提升，效率的提高速度也有所增加。