賴海清，常書平2，李明敏,方先進(jìn)

(1.廣州船舶及海洋工程設(shè)計研究院，廣州 510250；2.中國人民解放軍63983部隊， 江蘇 無錫 214035)

近年來，IMO推動了船舶能效設(shè)計指數(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定和實施，綠色造船和限制新船溫室氣體排放的措施逐漸引起了各界的關(guān)注[1]。通過船舶自航因子的預(yù)報，可以判斷船-機(jī)-槳匹配和評估船舶性能，從而降低能耗。對于船-槳-舵全耦合的數(shù)值模擬研究一直以來都是船舶CFD領(lǐng)域的難題。目前應(yīng)用最廣泛的強(qiáng)制自航法[2]在預(yù)報船舶自航性能時需要進(jìn)行若干不同螺旋槳轉(zhuǎn)速的計算，最終要對多個轉(zhuǎn)速下的結(jié)果進(jìn)行插值才能得到自航點的螺旋槳推進(jìn)性能，使得計算量增加，限制了該方法在船舶節(jié)能減排中的應(yīng)用。本文以某400 t工作船為研究對象，探討更高效的船舶自航因子預(yù)報方法。

1 船體全附體阻力預(yù)報

該船主要參數(shù)見表1。

表1 船型主要參數(shù)

利用流體計算軟件對目標(biāo)船在一定航速下的阻力進(jìn)行數(shù)值計算。

400 t船采用雙機(jī)、雙槳、雙舵、雙尾鰭形式，對全附體進(jìn)行建模，考慮到船體具有左右對稱的特性，為節(jié)約計算時間，選擇半船進(jìn)行計算，以船舯作為鏡射面。入口處采用速度入流，出口則為壓力出口，船舯為對稱邊界條件，船體采用無滑移邊界條件。在船艏及船艉幾何變化大的地方進(jìn)行網(wǎng)格加密，而在船殼附近受邊界層影響的地方，則布有邊界層網(wǎng)格，以正確描述船殼的邊界層效應(yīng)。除了在船體附近加密外，在空氣與水的交界面(水線面)附近進(jìn)行網(wǎng)格加密，并在水線面上以凱文波(Kelvin wave)的形狀進(jìn)行網(wǎng)格加密，以描述船在航行時所產(chǎn)生的波形。關(guān)于紊流模型的選擇，依照對迭模型的比較結(jié)果，選擇k-ω紊流模型。最終網(wǎng)格見圖1，網(wǎng)格數(shù)為396 萬。

圖1 網(wǎng)格模型

將數(shù)值計算得到的船體阻力與試驗阻力結(jié)果見表2。

表2 CFD阻力與試驗阻力對比

計算結(jié)果表明，CFD計算結(jié)果普遍低于試驗結(jié)果,CFD計算的總阻力和總阻力系數(shù)與模型試驗吻合較好，相對偏差小于5%，滿足工程精度要求。

2 螺旋槳水動力分析

2.1 螺旋槳快速建模及網(wǎng)格劃分

螺旋槳的曲面造型相對普通的曲面造型復(fù)雜，將 PropCAD軟件與犀牛(Rhino)軟件相結(jié)合，實現(xiàn)螺旋槳的快速建模，見圖2。

圖2 螺旋槳建模

計算域網(wǎng)格可分為結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，結(jié)構(gòu)網(wǎng)格亦稱映射網(wǎng)格，其生成的節(jié)點和網(wǎng)格元素的數(shù)量較少，模擬結(jié)果也較為精確，但遇到復(fù)雜的幾何外型時，需降低元素大小或以其他方式處理，建立網(wǎng)格的時間較長；非結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格則處理較復(fù)雜的幾何外型，其缺點則為結(jié)點和網(wǎng)格數(shù)量增加，且模擬的結(jié)果也會比結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格差。采用混合型網(wǎng)格，在外部流場使用六面體網(wǎng)格，而螺旋槳則因復(fù)雜的幾何圖形，使用四面體網(wǎng)格，對螺旋槳槳葉采用局部加密處理，同時，為了更好地捕捉螺旋槳的所有外形特征，對其特征線均進(jìn)行規(guī)整的特征線網(wǎng)格加密[4]。最終全計算域共270.5萬個網(wǎng)格。

2.2 邊界條件

1)入口邊界。速度入口進(jìn)場的部分，隨著進(jìn)速系數(shù)的不同給予相對的進(jìn)場速度。

2)出口邊界。 流場出口處設(shè)為壓力出口，表壓設(shè)置為0。

3)壁面邊界。內(nèi)部螺旋槳設(shè)為移動壁面，但不具滑動特性，且與旋轉(zhuǎn)的流場進(jìn)行相對地轉(zhuǎn)動；外流場壁面設(shè)為對稱 。

2.3 CFD計算分析

螺旋槳敞水效率曲線由以下4個參數(shù)構(gòu)成。

將試驗值與數(shù)值計算結(jié)果進(jìn)行擬合，比較見圖3。

圖3 試驗數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)對比

由圖3可見，kt、kq和ηo的計算結(jié)果與試驗結(jié)果相當(dāng)接近，仿真結(jié)果較好，誤差約為3%。分析誤差認(rèn)為主要由物理模型與數(shù)字模型的偏差、試驗與模擬工作條件不完全相同引起，但總體上兩者基本一致。該CFD方法模擬螺旋槳的敞水性能滿足實際工程設(shè)計和應(yīng)用的要求。

3 船舶自航模擬及自航因子分析

建立船-槳-舵全耦合數(shù)值求解模型，見圖4。

圖4 自航計算完整模型

計算時將整個流域分成2個計算域，船體與舵均位于外邊的長方體流域之中，螺旋槳位于內(nèi)部的槳域之中，2個子域之間通過滑移網(wǎng)格來實現(xiàn)子域之間流場信息的交換。通過對螺旋槳表面、舵等區(qū)域局部網(wǎng)格加密，螺旋槳內(nèi)部流域網(wǎng)格總數(shù)為137萬，外部流域網(wǎng)格總數(shù)為460萬，總網(wǎng)格數(shù)為597萬。

利用CFD軟件結(jié)合隨體網(wǎng)格技術(shù)及自航宏文件可以實現(xiàn)船舶自航的數(shù)值模擬，螺旋槳轉(zhuǎn)速不同船舶穩(wěn)定自航速度也有所不同。基于上述情況，提出了一種自航點確定方法來得到目標(biāo)航速下的實船自航點以及船舶實效自航性能。具體方法如下。

1)依照船舶目標(biāo)航速及自身特點，預(yù)先給定船舶目標(biāo)航速，預(yù)估該航速下的螺旋槳自航轉(zhuǎn)速。

2)根據(jù)船型的特點，計算目標(biāo)速度Vm下的船體摩擦阻力修正值SFC，將其作為強(qiáng)制力Z施加在船體上，從而只需要克服螺旋槳產(chǎn)生的推力(Rt(SP) -SFC)。

3)對船舶在該速度下的自航進(jìn)行模擬。在計算過程中，船體承受螺旋槳產(chǎn)生推力和強(qiáng)制力Z以及船體阻力。軟件根據(jù)其合力結(jié)果自動動態(tài)調(diào)節(jié)螺旋槳轉(zhuǎn)速，直到船舶阻力Rt(SP)=螺旋槳推力T+強(qiáng)制力Z，達(dá)到最終平衡。由數(shù)值模擬得到船速V、螺旋槳推力T、船阻力Rt(SP)、螺旋槳轉(zhuǎn)矩QPROP和船舶轉(zhuǎn)矩QHULL。與試驗結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果見圖5。

圖5 自航結(jié)果對比

由 CFD 計算得到18 kn航速時的自航推進(jìn)因子見表3。

表3 自航因子分析

圖6 自由液面波高

圖7 螺旋槳及舵葉壓力分布云圖

其中，敞水曲線采用了2.3的計算結(jié)果，自航推進(jìn)因子的求解方法采用的是 ITTC 推薦使用的等推力法。在所有 CFD 計算得到的系數(shù)與試驗測量的比較當(dāng)中，最大誤差為相對旋轉(zhuǎn)效率ηr，計算結(jié)果與實驗值相比小5.71%，其他計算結(jié)果與實驗值吻合較好。平均誤差在 3.0%在左右。計算結(jié)果表明，采用該方法進(jìn)行自航推進(jìn)計算有效而且準(zhǔn)確。航速為2.729 m/s時的自由液面波高及螺旋槳舵葉壓力分布見圖6、7。

4 結(jié)論

1)船體的阻力及螺旋槳敞水性能計算和水池試驗結(jié)果較為吻合，誤差在3%左右。

2)在自航因子預(yù)報上達(dá)到了較高的精度，其誤差在±5%，滿足工程精度的要求。

3)相比強(qiáng)制自航法，該方法不需要多次對螺旋槳轉(zhuǎn)速進(jìn)行計算后再去插值，而是在一次計算中，通過動態(tài)調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速從而使船體達(dá)到受力平衡，得到其自航點。

4)本文所述自航數(shù)值預(yù)報方法既能保證計算精度和穩(wěn)定性，又能縮短計算時間，是基于 CFD 的實船功率/航速預(yù)報的技術(shù)準(zhǔn)備，同時也為今后更加深入研究改善推進(jìn)性能、優(yōu)化附體設(shè)計及改進(jìn)船型工作提供技術(shù)手段。