邱云鋒, 白明根, 邰宜峰

(1.上海船舶研究設(shè)計(jì)院，上海 201203； 2.上海外高橋造船有限公司，上海 200137)

0 引 言

近年來(lái)，隨著綠色船舶概念的深入，節(jié)能裝置的開發(fā)和應(yīng)用成為船舶工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。目前，已有多種形式的節(jié)能裝置被應(yīng)用到實(shí)船上，并取得良好效果，如槳前節(jié)能導(dǎo)管、伴流補(bǔ)償導(dǎo)管、槳后轂帽鰭、舵球、扭曲舵等。這些裝置的節(jié)能原理不盡相同，但都是通過(guò)提高螺旋槳的推進(jìn)效率或船身效率達(dá)到節(jié)能效果。為獲得更好的節(jié)能效果，有時(shí)會(huì)將多種節(jié)能原理不同的節(jié)能裝置組合使用。由于節(jié)能裝置之間存在流動(dòng)的相互干擾現(xiàn)象，節(jié)能裝置組合使用時(shí)的節(jié)能效果評(píng)估一直是節(jié)能裝置開發(fā)的難點(diǎn)之一。此外，節(jié)能裝置組合使用的節(jié)能原理及其對(duì)船舶周圍流場(chǎng)的影響尚待研究。

扭曲舵相當(dāng)于一個(gè)固定導(dǎo)葉被置于螺旋槳尾流中，通過(guò)降低舵的阻力提高推進(jìn)效率[1-2]。舵球可改善螺旋槳轂渦，降低螺旋槳槳轂阻力[3-4]。這兩種裝置的節(jié)能原理不同，組合使用可能獲得更高的推進(jìn)效率。但是，目前關(guān)于扭曲舵和舵球的研究大部分是單獨(dú)考慮各自的效果，針對(duì)扭曲舵和舵球組合方案的研究工作較少。

本文針對(duì)1艘海上油田環(huán)保作業(yè)船分析扭曲舵+舵球組合形式的推進(jìn)效率及其對(duì)流動(dòng)細(xì)節(jié)的影響，如波形、船體表面動(dòng)壓力等?；谟?jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics， CFD)對(duì)平板舵和扭曲舵+舵球的自航狀態(tài)進(jìn)行數(shù)值模擬，采用滑移網(wǎng)格法模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)，并將數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值方法的可靠性，同時(shí)對(duì)比分析兩種舵型方案在螺旋槳推進(jìn)效率和流動(dòng)細(xì)節(jié)上的差異。

1 數(shù)值方法

CFD的計(jì)算采用商業(yè)CFD軟件STAR-CCM+。該軟件在船舶與海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用較廣，具有良好的可靠性。STAR-CCM+基于有限體積法求解流場(chǎng)，控制方程包括連續(xù)性方程和Reynolds平均Navier-Stokes方程，即RANS方程

(1)

(2)

式(1)和式(2)中：i、j為變量在坐標(biāo)系中i和j方向的分量；p為壓力；u為速度矢量；l為坐標(biāo)軸分量；ρ為流體密度；μ為流體動(dòng)力黏性系數(shù)；g為質(zhì)量力；δij為克羅尼克爾符號(hào)，當(dāng)i=j時(shí)，δij=1，否則δij=0。流項(xiàng)離散采用二階精度的迎風(fēng)格式，并采用隱式格式進(jìn)行時(shí)間積分。湍流模型采用SSTk-ω兩方程湍流模型。SSTk-ω模型是結(jié)合k-ε模型和原始k-ω模型的混合方法，湍動(dòng)能k和湍動(dòng)耗散率ω的求解方程為

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：Γk和Γω為k和ω的擴(kuò)散率；Gk和Gω為層流速度梯度產(chǎn)生的影響；Yk和Yω為擴(kuò)散產(chǎn)生的湍流。

在STAR-CCM+中自由面捕捉采用流體體積函數(shù) (Volume of Fluid, VOF) 方法。VOF方法是一種典型的自由面捕捉方法，計(jì)算方程為

(5)

式中：f為流體的體積函數(shù)，f=1表示網(wǎng)格單元內(nèi)充滿該相流體，f=0則表示網(wǎng)格內(nèi)不含該相流體，0

2 船型信息

本文模擬選擇的船型為海上油田環(huán)保作業(yè)船，該類型船主要用于溢油應(yīng)急指揮、監(jiān)測(cè)和回收等。船體主尺度如表1所示。該船采用雙尾鰭推進(jìn)方式，如圖1所示。螺旋槳為4葉外旋槳，主要參數(shù)如表2所示。主要研究該船兩種舵型方案的推進(jìn)效率，即平板舵方案和扭曲舵+舵球組合方案。扭曲舵主要通過(guò)減小螺旋槳尾流中的旋轉(zhuǎn)能量提高推進(jìn)效率，舵球主要針對(duì)螺旋槳的轂渦進(jìn)行改善，這兩種節(jié)能方式各有優(yōu)缺點(diǎn)，常組合使用以獲得更好的節(jié)能效果。兩種舵型如圖2所示，其中圖2a)和圖2b)是原始舵型，圖2c)和圖2d)是扭曲舵與舵球的組合形式。

表1 船舶主尺度

圖1 海上油田環(huán)保作業(yè)船側(cè)視效果圖

項(xiàng)目實(shí)船模型直徑/m4.00.220盤面比0.550.55葉數(shù)/葉44旋轉(zhuǎn)方向外旋外旋

圖2 平板舵和扭曲舵+舵球方案幾何構(gòu)型

3 計(jì)算網(wǎng)格

計(jì)算網(wǎng)格采用STAR-CCM+自帶的Trimmed cell網(wǎng)格，該網(wǎng)格為非結(jié)構(gòu)六面體網(wǎng)格。計(jì)算域整體網(wǎng)格劃分如圖3所示。由于計(jì)算的船型為雙尾鰭推進(jìn)形式，流場(chǎng)具有對(duì)稱性，因此計(jì)算僅考慮左舷側(cè)的流動(dòng)。螺旋槳的旋轉(zhuǎn)采用滑移網(wǎng)格法實(shí)現(xiàn)。相對(duì)于參考坐標(biāo)系法[5]，滑移網(wǎng)格法可更真實(shí)地模擬螺旋槳旋轉(zhuǎn)的影響，具有較高的精度[6-10]。為提高計(jì)算準(zhǔn)確性，對(duì)螺旋槳和自由面附近的網(wǎng)格進(jìn)行加密，計(jì)算域取長(zhǎng)方體，大小為：船前和頂部為1.0倍船長(zhǎng)，兩側(cè)和底部為1.5倍船長(zhǎng)，船后為2.0倍船長(zhǎng)。船前、后兩側(cè)和上、下面均為來(lái)流邊界條件，x軸負(fù)向?yàn)閴毫Τ隹谶吔纭Ｕw計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)約為430萬(wàn)個(gè)，其中船體部分網(wǎng)格為283萬(wàn)個(gè)，螺旋槳所在區(qū)域網(wǎng)格數(shù)為147萬(wàn)個(gè)。

圖3 計(jì)算域網(wǎng)格劃分

4 計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)在設(shè)計(jì)航速Vs=16.0 kn下兩種舵型方案的自航進(jìn)行計(jì)算，并與船模試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)值結(jié)果的可靠性。計(jì)算結(jié)果如表3所示，可以看到，數(shù)值結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果一致，表明計(jì)算具有一定的精度。在CFD計(jì)算中通過(guò)調(diào)整轉(zhuǎn)速以保證船體受到的強(qiáng)制力達(dá)到設(shè)定值。帶有節(jié)能裝置后，濕表面積略有增加，因此帶節(jié)能裝置 (Energy Saving Device, ESD) 方案與不帶節(jié)能裝置方案的強(qiáng)制力略有不同。強(qiáng)制力FD的計(jì)算式為

(6)

式中：Sm為船體濕表面積；Vm為船模航速；CFm為船模摩擦阻力因數(shù)；CF為實(shí)船摩擦阻力因數(shù)；CA為補(bǔ)貼因數(shù)，隨船型而變化。

表3 平板舵與扭曲舵+舵球的試驗(yàn)與CFD結(jié)果對(duì)比

從表3可以看出：CFD計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合。試驗(yàn)和CFD均表明，采用扭曲舵+舵球可提高推力，降低螺旋槳轉(zhuǎn)速，從而提高推進(jìn)效率，起到節(jié)能的效果。圖4對(duì)比兩種舵型方案的船體尾部流線，可以看出，扭曲舵+舵球?qū)β菪龢擦饔姓鞯男Ч桨宥娣桨复嬖谳^強(qiáng)的螺旋槳槳轂渦。相對(duì)而言，舵球的存在改善了槳轂渦的強(qiáng)度，起到節(jié)能效果。圖5和圖6對(duì)比兩種舵型方案的舵表面動(dòng)壓力分布。對(duì)于平板舵方案，舵的導(dǎo)邊處存在明顯高壓和低壓區(qū)，這與螺旋槳的誘導(dǎo)速度場(chǎng)有關(guān)。由于螺旋槳為外旋槳，因此舵的外表面低于槳軸處出現(xiàn)高壓區(qū)，而在舵的內(nèi)表面高于槳軸處存在明顯的低壓區(qū)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，在扭曲舵+舵球方案中舵表面的高壓區(qū)較小，而低壓區(qū)轉(zhuǎn)移至舵葉中部附近。另外，對(duì)比舵葉隨邊處的壓力可以看出，扭曲舵+舵球方案壓力較大，因此采用扭曲舵+舵球方案時(shí)舵受到的阻力較小。圖7為兩種舵型方案的流場(chǎng)波形，可以看出舵型對(duì)整體船體興波影響較小，船體尾部波形存在一定程度的不同，但波高變化不明顯。

圖4 流動(dòng)瞬間舵附近流線分布

圖5 平板舵方案動(dòng)壓力分布

圖6 扭曲舵+舵球方案動(dòng)壓力分布

圖7 平板舵與扭曲舵+舵球方案船體興波對(duì)比

5 結(jié) 論

基于CFD對(duì)海上油田環(huán)保作業(yè)船兩種舵型方案(平板舵和扭曲舵+舵球)的自航進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算得到的螺旋槳轉(zhuǎn)速、推力和扭矩與試驗(yàn)結(jié)果一致，表明采用的數(shù)值方法具有一定可靠性。試驗(yàn)和數(shù)值結(jié)果均表明采用扭曲舵+舵球可提高螺旋槳推力，降低轉(zhuǎn)速，從而提高推進(jìn)效率。從流動(dòng)細(xì)節(jié)上看，采用扭曲舵+舵球可減小螺旋槳轂渦強(qiáng)度，并減小舵導(dǎo)邊處高壓區(qū)，但對(duì)船體興波影響不大。