左新平，鄭少雄，周俊雄

（1. 中交四航局江門航通船業(yè)有限公司, 江門 529145；2. 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局, 廣州 510075；3. 江門南洋船舶工程有限公司, 江門 529145）

1 前言

輪緣推進(jìn)裝置取消了傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)軸系，采用集成電機(jī)技術(shù)將輪緣電機(jī)與螺旋槳、水潤滑軸承等部件進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)制造。其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、布置方便、易于控制等特點(diǎn)，是現(xiàn)代船舶推進(jìn)技術(shù)的發(fā)展熱點(diǎn)。

目前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的研究主要集中在輪緣推進(jìn)器水動(dòng)力性能及其影響因素、基于流固耦合的槳葉強(qiáng)度校核、間隙和導(dǎo)管的影響因素以及電機(jī)/軸承性能等方面，尚缺少有效的水池試驗(yàn)驗(yàn)證手段，而基于實(shí)尺度螺旋槳的系柱拉力測(cè)試非常必要。

本文針對(duì)某拖輪7 葉200 kW 輪緣推進(jìn)器，基于RANS 方法，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，建立輪緣推進(jìn)器數(shù)值預(yù)報(bào)模型，開展不同進(jìn)速系數(shù)下的水動(dòng)力計(jì)算，獲得其敞水特性；并將計(jì)算結(jié)果同系柱工況下的實(shí)槳測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者具備良好的吻合性；在算法驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，針對(duì)輪緣推進(jìn)器的水動(dòng)力性能和基于圖譜設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)導(dǎo)管槳進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果表明，在常用進(jìn)速下，采用輪緣推進(jìn)方案，其敞水效率更高。

2 數(shù)值方法

2.1 控制方程

本文采用不可壓縮粘性流來求解輪緣推進(jìn)器的水動(dòng)力性能，流動(dòng)控制方程分別為連續(xù)性方程和動(dòng)量性方程：

2.2 湍流模型

選用RNG k-ε 湍流模型，該湍流模型為二方程模型，工程應(yīng)用較多，其湍流動(dòng)能和耗散率方程分別為：

式中：G為由于平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；G為用于浮力影響引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生；Y為湍流耗散率的影響；μ為湍流粘性系數(shù)。

2.3 離散算法

對(duì)于控制方程的離散采用有限體積法：其中，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式；擴(kuò)散項(xiàng)采用中心差分格式；壓力速度耦合采用 SIMPLEC 算法；收斂標(biāo)準(zhǔn)考慮10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)迭代步長；推力和扭矩的變化量不超過0.3%。

3 計(jì)算對(duì)象

3.1 幾何模型

推進(jìn)器包含外圍導(dǎo)流罩及內(nèi)部螺旋槳，其中螺旋槳槳型參數(shù)為：直徑1.0 m，7 葉，盤面比0.751，螺距比0.765。輪緣推進(jìn)器三維模型如圖1 所示。

圖1 輪緣推進(jìn)器三維模型

3.2 計(jì)算區(qū)域及邊界條件

（1）計(jì)算區(qū)域

輪緣推進(jìn)器CFD 模擬的計(jì)算域，整體采用圓柱體，以輪緣推進(jìn)器內(nèi)徑D 為參考尺度：計(jì)算域入口距離槳中心為 4 D ，出口距離槳中心為 6 D ，圓柱體直徑為 4 D。

在圓柱計(jì)算域內(nèi)部又分為外域和內(nèi)域，外域設(shè)置為靜止域，用來計(jì)算來流和尾流；內(nèi)域?yàn)閷?dǎo)流罩內(nèi)涵蓋螺旋槳部分，設(shè)置為旋轉(zhuǎn)域。

（2）邊界條件

邊界條件設(shè)置為：入口邊界為速度入口，并給定入口處的速度分量；出口邊界設(shè)置為質(zhì)量出口；外域的表面設(shè)置為壁面；采用多重旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系模型和 RNG k-ε 湍流模型。

3.3 網(wǎng)格劃分

外域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，內(nèi)域的螺旋槳部分采用六面體的非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，在具體網(wǎng)格劃分上，開展了不同尺度的網(wǎng)格收斂性分析，體網(wǎng)格按照3 倍數(shù)量增加，同時(shí)考慮計(jì)算效率，確定最終的網(wǎng)格方案為：計(jì)算域體網(wǎng)格數(shù)為214.6 萬個(gè)，推進(jìn)裝置的面網(wǎng)格數(shù)為25.3萬個(gè)，邊界層第一層網(wǎng)格尺寸為1.0×10。計(jì)算域及推進(jìn)器面網(wǎng)格劃分，如圖2、圖3 所示。

圖2 輪緣推進(jìn)器表面網(wǎng)格劃分

圖3 輪緣推進(jìn)器外域網(wǎng)格劃分

4 結(jié)果分析

4.1 敞水計(jì)算結(jié)果分析

本文針對(duì)實(shí)尺度螺旋槳開展計(jì)算，CFD 計(jì)算采用恒定的螺旋槳轉(zhuǎn)速610 r/min。為了評(píng)估其水動(dòng)力性能，求出其Kt、Kq 曲線，選取水流進(jìn)速為 0 kn、5 kn 和10 kn，對(duì)應(yīng)的進(jìn)速系數(shù)J 為0、0.267、0.534，分別進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，得到推進(jìn)器推力和扭矩。將其換算為無量綱化的推力系數(shù)K與力矩系數(shù)K：

式中：為推力；為扭矩；為水密度；為轉(zhuǎn)速；為螺旋槳直徑。

表1 和圖4 為無轂推進(jìn)器的敞水性能計(jì)算結(jié)果（計(jì)算工況點(diǎn)從0 kn～10 kn）。

圖4 輪緣推進(jìn)器的敞水性能

表1 無轂推進(jìn)器的敞水性能計(jì)算結(jié)果

4.2 不同槳型效率對(duì)比

為了對(duì)比輪緣推進(jìn)器和傳統(tǒng)的導(dǎo)管螺旋槳在相同的使用環(huán)境下水動(dòng)力性能差異，按照和輪緣推進(jìn)器相同的功率等級(jí)計(jì)算和設(shè)計(jì)了一款傳統(tǒng)的導(dǎo)管槳，螺旋槳和導(dǎo)管的型式完全按照傳統(tǒng)的圖譜設(shè)計(jì)，最終選定螺旋槳型式為ka4-55 螺旋槳和19 A 導(dǎo)管，并且將圖譜導(dǎo)管槳運(yùn)用到舵槳結(jié)構(gòu)中，計(jì)算了傳統(tǒng)螺旋槳的敞水特性，對(duì)比數(shù)據(jù)如圖8、9 所示。

為驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果的合理性，開展輪緣推進(jìn)裝置實(shí)槳在系列功率下的系柱拉力測(cè)試，系柱測(cè)試最大功率為200 kW，計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表2 所示。

表2 CFD 計(jì)算和系柱測(cè)試結(jié)果對(duì)比

由表2 對(duì)比結(jié)果可知：0 進(jìn)速下的CFD 計(jì)算結(jié)果和實(shí)槳的系柱拉力測(cè)試結(jié)果吻合良好，表明本研究采用技術(shù)路線合理可行；同時(shí)，CFD 計(jì)算結(jié)果能夠給出流線、速度分布、槳葉壓力分布等流場(chǎng)細(xì)節(jié)，如圖5、6、7 所示。

圖5 CFD 計(jì)算空間流線

圖6 CFD 計(jì)算流場(chǎng)速度矢量

圖7 CFD 計(jì)算槳葉壓力分布

表3 為推進(jìn)對(duì)比數(shù)據(jù)。

表3 輪緣推進(jìn)器和導(dǎo)管槳推力對(duì)比數(shù)據(jù)

由圖8、圖9 及表3 對(duì)比結(jié)果可知：輪緣推進(jìn)器和基于傳統(tǒng)圖譜：設(shè)計(jì)的導(dǎo)管槳，在8 kn 以下的常用進(jìn)速范圍內(nèi)，在相同的功率下，輪緣推進(jìn)器產(chǎn)生的推力比導(dǎo)管槳推力大，即其效率更高，說明輪緣推進(jìn)器的優(yōu)勢(shì)。

圖8 輪緣推進(jìn)器和導(dǎo)管槳在相同進(jìn)速下推力對(duì)比

圖9 輪緣推進(jìn)器和導(dǎo)管槳敞水效率對(duì)比

5 結(jié)論

本文針對(duì)某拖輪7 葉200 kW 實(shí)尺度輪緣推進(jìn)器，基于RANS 方法，采用滑移網(wǎng)格技術(shù)，建立輪緣推進(jìn)器數(shù)值預(yù)報(bào)模型，并開展了不同槳型的對(duì)比分析，得出以下結(jié)論：

（1）通過開展實(shí)槳的CFD 計(jì)算結(jié)果和實(shí)槳在200 kW功率下系柱拉力測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，兩者吻合良好，驗(yàn)證了本文采用的CFD 實(shí)槳分析數(shù)值算法的可靠性，可以作為輪緣推進(jìn)裝置水動(dòng)力預(yù)報(bào)方案；

（2）通過開展輪緣推進(jìn)器和基于圖譜設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)導(dǎo)管槳水動(dòng)力結(jié)果對(duì)比，在8kn以下的常用進(jìn)速范圍內(nèi)，采用輪緣推進(jìn)方案，在相同功率下，輪緣推進(jìn)器發(fā)出的推力更大，敞水效率更高。