PCTC節(jié)能附體數(shù)值模擬研究

黃珍平， 高玉玲， 陳曉瑩

(1. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135;2. 滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

PCTC節(jié)能附體數(shù)值模擬研究

黃珍平1， 高玉玲1， 陳曉瑩2

(1. 上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所 航運(yùn)技術(shù)與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200135;2. 滬東中華造船(集團(tuán))有限公司， 上海 200129)

為提高船舶的推進(jìn)效率，采用節(jié)能附體是一種有效手段。基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics, CFD)數(shù)值計(jì)算對(duì)一艘萬車汽車運(yùn)輸船(Pure Car/Truck Carrier, PCTC)加裝預(yù)旋定子后的阻力、伴流和推進(jìn)進(jìn)行分析。結(jié)果表明,數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)吻合度較好，定子能帶來3%～4%的效率提高。此外，從槳葉剖面入流的角度分析定子影響螺旋槳推力扭矩的原因。

汽車運(yùn)輸船； 預(yù)旋定子； 節(jié)能附體； 數(shù)值模擬

0 引 言

提高螺旋槳的推進(jìn)效率是船舶節(jié)能減排的主要方法之一，而加裝節(jié)能附體(Energy Saving Device，ESD)是提高推進(jìn)效率的有效手段。目前比較常見的節(jié)能附體有補(bǔ)償導(dǎo)管、Mewis導(dǎo)管、前置定子和轂帽鰭等。當(dāng)前已有不少針對(duì)節(jié)能附體的試驗(yàn)和數(shù)值研究[1-3]，通過在不同船型上進(jìn)行針對(duì)性的設(shè)計(jì)，均可取得不錯(cuò)的節(jié)能效果。在螺旋槳附近安裝節(jié)能裝置，通常利用改善螺旋槳的進(jìn)流、直接產(chǎn)生推力及回收螺旋槳尾流中的能量等方式可達(dá)到節(jié)能的效果，但節(jié)能附體帶來具體的流場影響及其內(nèi)在的節(jié)能機(jī)理[4]有待進(jìn)一步研究和探討。目前計(jì)算流體動(dòng)力學(xué) (Computational Fluid Dynamics，CFD) 數(shù)值計(jì)算已廣泛應(yīng)用到船-槳-舵相互干擾等較為復(fù)雜的水動(dòng)力學(xué)問題中，已在節(jié)能附體的研究中取得很好的效果，通過CFD方法不僅可得到宏觀的阻力推進(jìn)結(jié)果，還可獲得更為豐富的流場信息。

以一艘萬車汽車運(yùn)輸船(Pure Car/Truck Carrier，PCTC)為研究對(duì)象，針對(duì)其艉部流場的特性設(shè)計(jì)槳前節(jié)能附體，利用CFD方法，從阻力、伴流場和推進(jìn)等3個(gè)方面分析節(jié)能附體帶來的影響，并與試驗(yàn)進(jìn)行比較。通過考察加裝節(jié)能附體后螺旋槳葉剖面的進(jìn)流情況，分析節(jié)能附體引起螺旋槳的推力和扭矩發(fā)生變化的原因。

1 計(jì)算方法

1.1計(jì)算模型

選用前置預(yù)旋定子作為節(jié)能附體,預(yù)旋定子通常由左右不對(duì)稱的機(jī)翼型葉片構(gòu)成，葉片本身與軸向來流形成一定角度(攻角)，可在槳前產(chǎn)生逆槳旋向的水流，若葉片的周向分布適當(dāng)，則可較好的整流效果，從而提高推進(jìn)效率。需指出的是，預(yù)旋定子往往會(huì)產(chǎn)生附加阻力，而葉片數(shù)量與葉片攻角等因素均會(huì)對(duì)附加阻力產(chǎn)生影響，需合理設(shè)計(jì)定子形式，在阻力增加和效率提高間達(dá)到較好的平衡。預(yù)旋定子的葉片周向分布見圖1，其中：R為螺旋漿半徑，左舷葉片的攻角從上到下依次為12°，10°，10°；右舷葉片的角度為12°。

目標(biāo)船為一艘萬車PCTC，在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所的拖曳水池中進(jìn)行模型試驗(yàn)，船模主尺度見表1，計(jì)算采用與模型試驗(yàn)相同的尺度。試驗(yàn)和計(jì)算均采用設(shè)計(jì)槳，船體、附體和槳的示意見圖2。

表1 船模主尺度

1.2分析方法

采用STAR-CCM+進(jìn)行數(shù)值模擬。在進(jìn)行不帶槳的阻力計(jì)算時(shí)，分別進(jìn)行帶自由液面和不帶自由液面(疊模)的模擬，進(jìn)而獲得興波阻力；在進(jìn)行帶槳的自航計(jì)算時(shí)，不考慮槳對(duì)興波阻力的影響，只進(jìn)行疊模計(jì)算，興波阻力采用阻力計(jì)算時(shí)的興波阻力值。自航計(jì)算采用這種方法相比完全不考慮興波阻力的計(jì)算方法可更好地確定自航點(diǎn)和自航因子，相比帶自由液面的自航模擬可節(jié)省計(jì)算資源和時(shí)間，是較為折中的方法。

自航模擬采用強(qiáng)迫自航法，計(jì)算時(shí)保持船體自航時(shí)航速不變，改變槳的轉(zhuǎn)速，得到不同轉(zhuǎn)速ni下的總阻力Ri，螺旋槳推力Ti和扭矩Qi，則自航所需的強(qiáng)制力為

Fdi=Ri-Ti

(1)

當(dāng)Fdi=Fd時(shí)，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速即為該航速下實(shí)船自航點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，其中Fd是船模實(shí)船摩擦阻力的修正值。在獲得自航點(diǎn)轉(zhuǎn)速n后，可獲得對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的推力T和扭矩Q；隨后利用與船模試驗(yàn)一致的方法進(jìn)行自航因子分析。

數(shù)值模擬的計(jì)算域見圖3，其中L為船模的垂線間長。網(wǎng)格劃分采用切割體網(wǎng)格，船體、槳及附體的面網(wǎng)格見圖4。

2 結(jié)果及討論

2.1附體阻力

為研究預(yù)旋定子帶來的阻力增加，分別進(jìn)行無節(jié)能附體和帶節(jié)能附體的船模阻力計(jì)算，并在船模拖曳水池中進(jìn)行模型試驗(yàn)，比較不同的傅汝德數(shù)下數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的總阻力系數(shù)Ct(見表2)。由表2可知，數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)偏差約在3%。帶定子后船?？傋枇υ黾拥陌俜直圈見圖5，可看到定子帶來的阻力增加約在1.6%，數(shù)值計(jì)算較為準(zhǔn)確地模擬了定子帶來的增阻。需指出，帶定子后的總阻力增加不只是定子本身的阻力增加，還包括定子對(duì)流場的影響造成的船體和舵的阻力變化。利用數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)具體的阻力成分進(jìn)行分析，阻力增加中附體本身的阻力及船體、舵的阻力變化所占的百分比見圖6，可知阻力增加的較大部分來自于船體阻力。此外，進(jìn)行疊模計(jì)算，計(jì)算結(jié)果也可得到相同的結(jié)論。因此，節(jié)能附體帶來的阻力增加主要來自于附體引起的船體黏壓阻力的增加，因?yàn)楦襟w的存在會(huì)改變船尾附近的壓力分布。

表2 總阻力系數(shù)

2.2伴流分析

當(dāng)Fn=0.178時(shí)，無附體和帶節(jié)能定子的槳盤面處伴流場的數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)的結(jié)果見圖7～圖10。從圖7～圖10中可看出，無論是無附體還是帶附體，CFD數(shù)值計(jì)算都可較好地模擬槳盤面的流場特征，與試驗(yàn)吻合較好。伴流模擬的準(zhǔn)確度對(duì)推進(jìn)性能的分析有較大影響，為進(jìn)一步驗(yàn)證數(shù)值計(jì)算的伴流模擬精度，繪制0.7R(R為槳半徑)和0.3R處的軸向速度Vx，切向速度Vθ和徑向速度Vr的周向分布對(duì)比圖(見圖11)，其中槳盤面最高點(diǎn)定義為0°，按順時(shí)針方向逐漸增大。從圖11中可看出，除了0.3R處無附體的Vθ因絕對(duì)值非常小而偏差大一些之外，數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)的結(jié)果非常接近，可很好地模擬定子對(duì)流場的影響。切向速度Vθ的對(duì)比可體現(xiàn)定子的預(yù)旋作用，圖11中V>0表示速度方向?yàn)槟鏄较颍粗疄轫槝较?。從圖11中可看出，順槳方向流動(dòng)得到抑制，而逆槳方向流動(dòng)得到加強(qiáng)。

2.3推進(jìn)分析

Fn=0.178時(shí)的自航計(jì)算結(jié)果見表3，給出自航點(diǎn)的螺旋槳轉(zhuǎn)速、推力、扭矩和推進(jìn)效率。由表3可知，與模型試驗(yàn)相比，數(shù)值計(jì)算的自航點(diǎn)轉(zhuǎn)速偏高，整體推進(jìn)效率偏低。在計(jì)算過程中可發(fā)現(xiàn)，槳在相同轉(zhuǎn)速下推力扭矩的數(shù)值計(jì)算存在一定的誤差，在槳的建模、網(wǎng)格劃分及槳的運(yùn)動(dòng)模擬上還有須改進(jìn)的地方。但是總體來說，從節(jié)能附體帶來的影響方面看，數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)體現(xiàn)出較好的一致性。帶附體后自航點(diǎn)轉(zhuǎn)速降低，但槳的推力更大，雖然扭矩也有一定的增加，但整體推進(jìn)效率得到提高。自航計(jì)算采用強(qiáng)迫自航法計(jì)算時(shí)，每個(gè)轉(zhuǎn)速下帶附體后槳的推力和扭矩相對(duì)無附體時(shí)增加的百分比見圖12。由圖12可知，推力的增加明顯大于扭矩的增加。

a)試驗(yàn)b)計(jì)算

圖7 無附體軸向伴流

圖9 帶附體軸向伴流

圖8 無附體橫向速度矢量

圖10帶附體橫向速度矢量

表3 自航計(jì)算結(jié)果

螺旋槳表面在相同轉(zhuǎn)速下的壓力分布見圖13，帶附體后葉面的正壓力和葉背的負(fù)壓力都有所增加。對(duì)槳葉的進(jìn)流情況進(jìn)行分析，角度定義見圖14，其中：Vx和Vθ分別為軸向及切向進(jìn)流速度；n和D分別為螺旋槳的轉(zhuǎn)速及直徑；u為螺旋槳誘導(dǎo)速度；V為來流的合成速度；βp為螺距角；β為進(jìn)角；βi為水動(dòng)力螺距角(即實(shí)際的進(jìn)流方向)；αk為葉剖面的進(jìn)流攻角。分別提取無附體和帶附體自航數(shù)值模擬結(jié)果中0.7R處的截面靠近導(dǎo)邊處的進(jìn)流速度(見表4)，其中最上面槳葉定義為槳葉1，順時(shí)針依次為槳葉2，槳葉3和槳葉4。由表4可知，帶附體后總的來流合成速度略有增加，實(shí)際的水動(dòng)力螺距角βi隨Vθ的增加而減小。這樣進(jìn)流的攻角αk增大，使得葉剖面有更大的升力dL。同時(shí)，由于βi的減小，使得升力軸向分量dLa變大，從而使得螺旋槳獲得更大的推力。扭矩取決于升力在橫向上的分量dLt，該分量由于βi的減小，使得增加值不如推力增加值大。此外，槳葉4導(dǎo)邊所處位置為左舷定子葉片集中分布的位置，Vθ的變化量最大，攻角αk的變化量也最大。這里只考慮剖面升力dL，忽略垂直于dL方向的阻力dD，這是由于dL起主導(dǎo)作用，dD的絕對(duì)值和變化量相對(duì)于dL均更小。

槳葉無附體帶附體V/(m/s)βi/(°)αk/(°)V/(m/s)βi/(°)αk/(°)槳葉15．9310．54．45．9410．14．8槳葉25．7911．83．15．8610．84．1槳葉35．5812．12．85．6911．23．7槳葉45．359．65．35．376．78．2

3 結(jié) 語

對(duì)一艘萬車PCTC的節(jié)能附體進(jìn)行數(shù)值研究，附體采用四葉的槳前預(yù)旋定子。結(jié)果表明，數(shù)值計(jì)算與模型試驗(yàn)的結(jié)果較為吻合。通過分析定子對(duì)阻力、伴流場和推進(jìn)的影響，得到以下結(jié)論：

1) 定子引起的阻力增加約為1.6%，阻力增加的主要因素是由于定子的存在改變了船尾的流場，導(dǎo)致船體黏壓阻力的增加；

2) 定子對(duì)槳前進(jìn)流表現(xiàn)出明顯的預(yù)旋效果，可抑制順槳旋向的流動(dòng)，增強(qiáng)了逆槳方向的流動(dòng)；

3) 定子可使推進(jìn)效率提高3%～4%，帶定子后槳的自航點(diǎn)轉(zhuǎn)速降低，推力增加，且其增加的百分比大于扭矩增加的百分比，整體的推進(jìn)效率得到提高；

4) 定子的預(yù)旋作用使得槳葉剖面的水動(dòng)力螺距角減小、進(jìn)流攻角增大，在使推力顯著增加的同時(shí)扭矩增加有限。

[1] ELIK F. A Numerical Study for Effectiveness of a Wake Equalizing Duct[J]. Ocean Engineering, 2007, 34(16): 2138-2145.

[2] MEWIS F. A Novel Power-Saving Device for Full-Form Vessels[C]∥First International Symposium on Marine Propulsors smp’9, 2009.

[3] GAO Y L, HUANG Z P, CHEN X P. A Study on Application of Energy Saving Devices (ESDs) for a Twin-Skeg Ship[C]∥The 6th Pan Asian Association of Maritime Engineering Societies/Advanced Maritime Engineering Conference, 2014.

[4] TERWISGA T V. On the Working Principles of Energy Saving Devices [C]∥Third International Symposium on Marine Propulsorssmp’13, 2013.

NumericalStudyofPCTCwithEnergySavingDevice

HUANGZhenping1，GAOYuling1，CHENXiaoying2
(1. State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135，China；2. Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129，China)

Energy saving Device are often introduced for improving ship propulsion efficiency. This paper presents the numerical studies of a Pure Car/Truck Carrier (PCTC) with a pre-swirl stator, covering the resistance/propulsion and the wake. Numerical results show a good agreement with model test data. The efficiency improvement of 3%～4% can be achieved by introduction of the stator. The angle of inflow to the propeller blades is also investigated to identify effect of the stator on the thrust and torque.

PCTC; pre-swirl stator; energy saving Device; numerical simulation

2017-02-14

黃珍平(1989—)，男，江西新余人，助理研究員，碩士，主要從事船舶水動(dòng)力研究。

1674-5949(2017)02-0019-06

U664.33

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