孫國亮，蘇朝君，周鋆玲，韓 璐

(1. 中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431；2. 上海船舶設(shè)備研究所系統(tǒng)總體部，上海 200031)

0 引 言

船舶推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，理論上配合點(diǎn)即100%負(fù)荷和100%轉(zhuǎn)速的MCR 點(diǎn)，但船舶營運(yùn)一段時間后由于船體表面、螺旋槳表面附著海生物、腐蝕，同時海洋水流、風(fēng)浪以及航道變淺變窄等因素也會引起船體阻力增加，船舶航速就會降低。因此在新造船舶螺旋槳設(shè)計(jì)時需要考慮實(shí)際運(yùn)行情況以消除設(shè)計(jì)偏差，這需要根據(jù)實(shí)船的阻力變化規(guī)律進(jìn)行機(jī)槳匹配儲備設(shè)計(jì)，負(fù)荷點(diǎn)的選擇直接影響螺旋槳和原動機(jī)的匹配問題。近年應(yīng)用推進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的船舶越來越多，推進(jìn)電機(jī)由變頻器驅(qū)動，具有恒扭矩/恒功率運(yùn)行的能力，電力推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)可以應(yīng)用功率儲備，也可以轉(zhuǎn)速儲備設(shè)計(jì)。

國內(nèi)船舶電力推進(jìn)應(yīng)用尚處于起步階段，多集中于吊艙式電力推進(jìn)理論研究。劉波[1]通過應(yīng)用編程和仿真工具Simulink 對電力推進(jìn)的船機(jī)槳匹配進(jìn)行靜態(tài)和動態(tài)分析；張偉[2]通過UG 建模，利用CFD 技術(shù)對吊艙推進(jìn)器的水動力性能進(jìn)行模擬分析；秦業(yè)志[3]利用常規(guī)螺旋槳等效設(shè)計(jì)吊艙螺旋槳的方法，用Lab-VIEW 編程語言開發(fā)船機(jī)槳匹配分析軟件，優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)方案；胡興富[4]通過螺旋槳推進(jìn)和交流電機(jī)的推進(jìn)特性分析，對勘探312 船不同工況下的機(jī)槳匹配問題進(jìn)行了研究。

國內(nèi)對于異步電機(jī)帶定距槳推進(jìn)系統(tǒng)的機(jī)槳匹配研究較少，本文采用數(shù)值模擬方法開展某型電力推進(jìn)船舶機(jī)槳匹配設(shè)計(jì)，充分考慮長期運(yùn)營后的污底影響，分析對比了2 種螺旋槳設(shè)計(jì)下的實(shí)船模擬效果，對于直軸電力推進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。

1 研究對象及建模

本文研究對象船船型參數(shù)和螺旋槳數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 船型主要參數(shù)Tab. 1 Main parameters of ship type

根據(jù)船型、推進(jìn)電機(jī)、螺旋槳和附體參數(shù)，建立船體及附體三維幾何模型，形成的全附體模型如圖1 所示。

圖1 全附體船體幾何模型Fig. 1 Fully attached hull geometry model

2 船舶污底增阻數(shù)值模擬

2.1 污底等級與粗糙度定義

船舶污底通常分為軟污垢和硬污垢，軟污垢通常是藻類，粘質(zhì)物粘液和草類，對涂層系統(tǒng)和船舶性能的影響最小。具有鈣質(zhì)結(jié)構(gòu)的硬污垢更頑強(qiáng)，可能會損害船舶和涂層系統(tǒng)的性能。復(fù)合污垢包括硬污垢和軟污垢生物，對船舶的性能、涂層和機(jī)械系統(tǒng)極為不利[5-6]。

根據(jù)美海軍艦艇技術(shù)手冊中描述[7]，污底可以劃分為0～100 污底等級，數(shù)值越大表明污底情況越嚴(yán)重。其中0～30 為軟質(zhì)附著物，草狀附著物長度短于76 mm高度不超過6.4 mm，40～90 為硬質(zhì)，100 為軟硬復(fù)合附著物是最為嚴(yán)重的。40～60 的鈣化物直徑或高度小于6.4 mm。70～80 則高于6.4 mm，并出現(xiàn)重疊生長。在船舶日常運(yùn)營中應(yīng)當(dāng)周期性檢查船體污底，當(dāng)污底等級為50 時需要入塢進(jìn)行全面清理，因此本文數(shù)值模擬將只考慮污底等級0～50 之間的情況。

根據(jù)涂層粗糙度和生物淤積對船舶阻力和動力的影響研究結(jié)果[8]，污底等級與等效粗糙度的關(guān)系如表2所示。

表2 污底等級與等效粗糙度關(guān)系Tab. 2 Relationship between fouling grade and equivalent roughness

數(shù)值模擬只考慮污底等級0～50，因此對應(yīng)的粗糙度考慮0～1 000。按照文獻(xiàn)對應(yīng)的狀態(tài)和污底等級對等效粗糙度0，30，100，300，1 000 進(jìn)行實(shí)尺度阻力計(jì)算，數(shù)值計(jì)算分別在航速24 kn 和26 kn 下開展。

2.2 污底增阻數(shù)值計(jì)算

2.2.1 計(jì)算域劃分與網(wǎng)格生成

計(jì)算域?yàn)榱⒎襟w，半船模型位于計(jì)算域中部。邊界條件為：來流面設(shè)為速度入口，出口面設(shè)為壓力出口，側(cè)面為對稱面，底部和頂部為滑移壁面，對稱面亦設(shè)為對稱面，對稱面位于船體中縱剖線。水流從x正方向流動到x負(fù)方向。

網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格為切割體，在自由液面附近加密，船體周圍網(wǎng)格密集，遠(yuǎn)離船體方向網(wǎng)格較為稀疏。

2.2.2 數(shù)值模擬設(shè)置

數(shù)值模擬計(jì)算采用STAR-CCM+軟件，控制方程為連續(xù)性方程和動量方程，對控制方程進(jìn)行有限體積法離散，采用雷諾平均法作為湍流數(shù)值模擬方法（RANS）；計(jì)算采用Simple 算法，采用可實(shí)現(xiàn)K-Epsilon 湍流模型，流體為不可壓縮恒密度流體，自由液面用VOF 方法捕捉。

本次計(jì)算在實(shí)船尺度下進(jìn)行，污底增值數(shù)值模擬形成結(jié)果如表3 所示。

表3 污底增值數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果Tab. 3 Relationship between fouling grade and equivalent roughness

在污底等級為50 時，26 kn 相比無污底增阻25.4%，而24 kn 時增阻28.2%。

在污底等級為30 時，26 kn 相比無污底增阻15.6%，而24 kn 時增阻17.3%。

與文獻(xiàn)[8]描述的情況類似，低速時增阻較多，原因可能是低速時摩擦阻力占比重較大而高速時興波阻力占比重較大。數(shù)值模擬的后處理波形圖如圖2 所示。

圖2 波形圖（實(shí)尺度）Fig. 2 Waveform diagram (real scale)

3 數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)

數(shù)值水池虛擬試驗(yàn)分為敞水、阻力、自航三部分，試驗(yàn)結(jié)果處理與實(shí)體的物理水池一致。

數(shù)值模擬計(jì)算采用STAR-CCM+，控制方程為連續(xù)性方程和動量方程，對控制方程進(jìn)行有限體積法離散，采用雷諾平均法作為湍流數(shù)值模擬方法（RANS）；計(jì)算采用Simple 算法，采用可實(shí)現(xiàn)K-Epsilon 湍流模型，流體為不可壓縮恒密度流體。

3.1 敞水虛擬試驗(yàn)

分別設(shè)計(jì)2 種螺旋槳，用于比較考慮轉(zhuǎn)速儲備后的機(jī)槳匹配特性。

1）常規(guī)槳

常規(guī)槳（代號1 711）即考慮新船工況下，電機(jī)功率與轉(zhuǎn)速都運(yùn)行在設(shè)計(jì)點(diǎn)的螺旋槳。根據(jù)船體阻力數(shù)據(jù)，此常規(guī)設(shè)計(jì)螺距比為1.32。

2）優(yōu)化槳

優(yōu)化槳（代號1711m）即考慮新船工況下，電機(jī)額定功率下轉(zhuǎn)速高于額定轉(zhuǎn)速5%以上。優(yōu)化槳設(shè)計(jì)螺距為1.22，比常規(guī)槳螺距比低。

計(jì)算域?yàn)榱⒎襟w，槳模3D 模型位于計(jì)算域中部。邊界條件為：來流面設(shè)為速度入口，出口面設(shè)為壓力出口，側(cè)面為對稱面，底部和頂部為滑移壁面，另一側(cè)亦設(shè)為對稱面。水流從x正方向流動到x負(fù)方向。

在槳模周圍的圓柱型區(qū)域可以旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)域與立方體的大計(jì)算域進(jìn)行數(shù)值交換。

外部邊界距離螺旋槳足夠遠(yuǎn)，可以認(rèn)為基本不會產(chǎn)生影響。分別對代號1 711 螺旋槳和代號1711 m 螺旋槳進(jìn)行數(shù)值模擬。

圖3 兩類螺旋槳側(cè)視圖Fig. 3 Side view of two types of propeller

圖4 網(wǎng)格劃分Fig. 4 Mesh generation

網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格為切割體，在交接面附近加密，槳葉周圍網(wǎng)格密集，遠(yuǎn)離槳葉方向網(wǎng)格較為稀疏。常規(guī)槳模型敞水試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。

表4 常規(guī)槳模型敞水特性Tab. 4 Open water characteristics of conventional propeller model

J=0.95 時常規(guī)槳壓力面、吸力面積速度場后處理圖如圖8 和圖9 所示。

圖5 J=0.95 時常規(guī)槳葉壓力面與吸力面Fig. 5 When J=0.95, blade pressure surface and suction surface ofconventional propeller

圖6 J=0.95 時常規(guī)槳前后速度變化與速度場Fig. 6 When J=0.95, velocity variation and velocity field of conventional propeller

圖9 自航時螺旋槳旋轉(zhuǎn)域展示Fig. 9 Display propeller rotation field when ship is sailing

優(yōu)化槳模型敞水特性結(jié)果如表5 所示。

表5 優(yōu)化槳模型敞水特性Tab. 5 Open water characteristics of optimized propeller model

J=0.95 時優(yōu)化槳壓力面、吸力面積速度場后處理圖如圖7 和圖8，后處理圖如圖10 所示。

圖7 J=0.95 時優(yōu)化槳葉壓力面與吸力面Fig. 7 When J=0.95, blade pressure surface and suction surface of optimized propeller

圖8 J=0.95 時優(yōu)化槳前后速度變化與速度場Fig. 8 When J=0.95, velocity variation and velocity field of optimized propeller

圖10 自航時的網(wǎng)格劃分Fig. 10 Meshing during self - navigation

3.2 阻力虛擬試驗(yàn)

與實(shí)尺度阻力數(shù)值模擬類似，模型尺度阻力計(jì)算域?yàn)榱⒎襟w，半船模型位于計(jì)算域中部。邊界條件為：來流面設(shè)為速度入口，出口面設(shè)為壓力出口，側(cè)面為對稱面，底部和頂部為滑移壁面，對稱面亦設(shè)為對稱面，對稱面位于船體中縱剖線。水流從x正方向流動到x負(fù)方向。

與實(shí)尺度阻力數(shù)值模擬類似，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格為切割體，在自由液面附近加密，船體周圍網(wǎng)格密集，遠(yuǎn)離船體方向網(wǎng)格較為稀疏。

虛擬試驗(yàn)結(jié)果如表6 所示。

表6 模型阻力虛擬試驗(yàn)結(jié)果Tab. 6 Results of virtual test of model resistance

3.3 自航虛擬試驗(yàn)

與阻力數(shù)值模擬類似，模型尺度阻力計(jì)算域?yàn)榱⒎襟w，全船模型位于計(jì)算域中部。邊界條件為：來流面設(shè)為速度入口，出口面設(shè)為壓力出口，側(cè)面為對稱面，底部和頂部為滑移壁面，對稱面亦設(shè)為對稱面，對稱面位于船體中縱剖線。水流從x正方向流動到x負(fù)方向。

與實(shí)尺度阻力數(shù)值模擬類似，網(wǎng)格劃分采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，網(wǎng)格為切割體，在自由液面附近加密，船體周圍網(wǎng)格密集，遠(yuǎn)離船體方向網(wǎng)格較為稀疏。

自航時的網(wǎng)格劃分，螺旋槳、船體周圍較為密集，遠(yuǎn)場較為稀疏。

優(yōu)化槳轉(zhuǎn)速高于常規(guī)槳，與預(yù)期一致，二者伴流分?jǐn)?shù)和推力減額基本一致。

優(yōu)化槳軸縱剖面速度場后處理圖如圖11 所示。

圖11 優(yōu)化槳軸縱剖面速度場Fig. 11 Velocity field in longitudinal profile of optimized propeller shaft

3.4 實(shí)船預(yù)報(bào)

數(shù)值模擬的分析方法與物理水池試驗(yàn)一致。

表7 常規(guī)槳自航虛擬試驗(yàn)Tab. 7 Virtual experiment of conventional propeller self - navigation

污底增阻發(fā)生在實(shí)船尺度上，因此預(yù)報(bào)過程中模型值不變，將增阻增加在實(shí)船的阻力系數(shù)上。Cp=1.000，Cn=1.000 實(shí)船航速預(yù)報(bào)結(jié)果如表9～表14 所示：

表9 常規(guī)槳實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果Tab. 9 The forecast results of conventional propeller

表14 優(yōu)化槳25%增阻實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果Tab. 14 The forecast results of optimized propeller 25% increase resistance

綜合上述各表數(shù)據(jù)，對預(yù)報(bào)結(jié)果繪制轉(zhuǎn)速-功率趨勢圖,如圖12 所示。

可以看出：

1）常規(guī)槳（代號1 711）在轉(zhuǎn)速約280 r/min，在無污底時航速為26.30 kn；在25%增阻的情況下，推進(jìn)電機(jī)降功率運(yùn)行，螺旋槳轉(zhuǎn)速在約266 r/min，常規(guī)槳航速為24.45 kn。

2）優(yōu)化槳（代號1711 m）在轉(zhuǎn)速約294 r/min，在無污底時航速為26.25 kn；在25%增阻的情況下，推進(jìn)電機(jī)恒功率運(yùn)行，螺旋槳轉(zhuǎn)速在約286 r/min，常規(guī)槳航速為24.75 kn。

轉(zhuǎn)速功率圖分析，表明本次數(shù)值模擬中常規(guī)槳對比優(yōu)化槳，降速分別為1.85 kn 和1.5 kn，優(yōu)化槳減小航速降為0.35 kn（為0.35/1.5=23.33%）。這是由于常規(guī)槳在增阻后曲線向左移動，從而導(dǎo)致推進(jìn)電機(jī)無法在額定功率下運(yùn)行，而優(yōu)化槳在曲線左移后推進(jìn)電機(jī)依舊可以在額定功率運(yùn)行。

表10 常規(guī)槳20%增阻實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果Tab. 10 The forecast results of conventional propeller 20% increase resistance

表11 常規(guī)槳25%增阻實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果Tab. 11 The forecast results of conventional propeller 25% increase resistance

轉(zhuǎn)速儲備，即輕轉(zhuǎn)裕度（light running margin）指考慮到新船在未來使用條件下吸收100%主機(jī)功率時螺旋槳轉(zhuǎn)速的余量，國際拖曳水池協(xié)會ITTC 建議預(yù)留5%～7%[9]。因而可以利用電機(jī)設(shè)定的超過額定轉(zhuǎn)速之后恒功率的特性，在電機(jī)配合定距槳的時候預(yù)留較大的輕轉(zhuǎn)裕度。建議在7%以上，但也不宜過大，過大的輕轉(zhuǎn)裕度將會使得設(shè)計(jì)出的螺旋槳敞水效率下降。

表12 優(yōu)化槳實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果Tab. 12 The forecast results of optimized propeller

表13 優(yōu)化槳20%增阻實(shí)船預(yù)報(bào)結(jié)果Tab. 13 The forecast results of optimized propeller 20% increase resistance

4 結(jié) 語

本文對某船的全附體開展建模，并進(jìn)行了實(shí)尺度阻力數(shù)值模擬，建立了船舶污底數(shù)值模型構(gòu)建方法，并對比了2 種設(shè)計(jì)螺旋槳敞水?dāng)?shù)值模擬及兩對槳的自航數(shù)值模擬。得出以下結(jié)論：

1）建立了污底等級和等效粗糙度的對應(yīng)關(guān)系，通過污底增阻數(shù)值模擬，污底等級在30 時，該船26 kn 航速增阻15%左右；污底等級在40～60 時，該船26 kn 航速增阻25%左右。

2）轉(zhuǎn)速儲備，指考慮到新船在未來使用條件下吸收100%主機(jī)功率時螺旋槳轉(zhuǎn)速的余量。通過在設(shè)計(jì)階段減小定距螺旋槳的螺距比，可以使得新船的螺旋槳以較輕的負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，吸收100%主機(jī)功率時螺旋槳轉(zhuǎn)速高于主機(jī)額定轉(zhuǎn)速。

3）本文數(shù)值模擬中常規(guī)槳對比優(yōu)化槳，降速分別為1.85kn 和1.5kn，優(yōu)化槳減小航速降為0.35kn（為0.35/1.5=23.33%）。

4）推進(jìn)電機(jī)+定距槳的電力推進(jìn)系統(tǒng)，推進(jìn)電機(jī)特性與常規(guī)柴油機(jī)主機(jī)存在較大不同，同時定距槳在裝船后無法通過調(diào)節(jié)螺距進(jìn)行船機(jī)槳匹配。因此在船舶設(shè)計(jì)階段中確定螺旋槳轉(zhuǎn)速-功率設(shè)計(jì)點(diǎn)時需全面考慮、謹(jǐn)慎選擇，綜合考慮但不限于設(shè)計(jì)航速指標(biāo)、長期運(yùn)行時污底、轉(zhuǎn)速儲備、功率儲備等因素。