前置预旋导管内定子周向布置形式的数值研究

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(中国船舶科学研究中心上海分部，上海 200011)

前置预旋导管(pre-swirl duct)[1]是一种由一个加速型导管和在导管内呈周向布置的若干个定子组成的节能装置。它能改善螺旋桨的进流并可减小螺旋桨尾流场的旋转能量损失。据统计，其节能收益一般可达4%～10%[2]。对前置预旋导管而言，一些设计参数很重要，包括导管出入口直径、导管和定子的剖面形状、定子叶数、定子的周向布置及攻角等。有研究表明，由于船艉伴流场的周向非均匀性，以及切向伴流相对于螺旋桨旋转方向在左、右舷起相反作用，导管内的定子是呈非对称分布的[3]。模型自航试验结果显示，当定子叶数增加时，可减少螺旋桨尾流的旋转能量损失，但定子的阻力也相应地增加，故在“得”与“失”之间需权衡考虑[4]。因此希望能有较少的叶片数达到较好的预旋效果，这与定子的叶片数及周向布局有关。

本文基于RANS方法的数值研究来寻求更加合适的前置预旋导管内定子的周向布置形式，采用商业软件Fluent进行RANS方程的求解。

1 计算模型

选取一种典型的前置预旋导管为研究对象，它由导管和5个定子叶片组成，几何外形见图1。主要几何参数见图2和表1。

图1 前置预旋导管的三维几何模型

图2 前置预旋导管结构示意

表1 前置预旋导管的主参数

图2所示前置预旋导管的导管部分是沿轴向收缩的加速型导管，数值计算中发现在导管剖面翼背处存在一定的流动分离现象。由于本文的目的是为了研究导管内定子的周向布置，故为了排除这种分离对定子预旋作用的干扰并简化计算模型，将计算的导管剖面改为NACA0012对称翼型，导管的轴向收缩角设为0°，修改后的导管及定子的剖面形式见图3。

图3 导管与定子的剖面形式

2 计算工况

2.1 不考虑螺旋桨的抽吸作用

数值计算中不考虑船体伴流的影响，进流为均匀来流。通过改变定子数目、定子间夹角及定子来流攻角等参数，对6种不同工况的导管方案进行计算分析，研究有利于提高导管预旋效果的最佳定子布置，见表2。

表2 数值模拟的工况

2.2 考虑螺旋桨的抽吸作用

由于前置预旋导管一般位于螺旋桨前方，会受到螺旋桨抽吸作用的影响，故针对表2中的各种工况进行考虑螺旋桨抽吸作用时的水动力性能分析。由于螺旋桨工作时对其前方流场的切向诱导速度很小，一般忽略不计，因此在实际计算中采用体积力方法来模拟螺旋桨的抽吸作用时，只考虑螺旋桨的轴向作用力而忽略其转矩的作用。

3 数值方法

假定流动是不可压的，雷诺数为2.44×106。湍流模型选取SSTκ-ω模型。控制方程用二阶迎风差分格式进行离散，采用SIMPLE算法进行求解。压强、动量、湍流动能和湍流耗散率的亚松弛因子分别设为0.1、0.5、0.5和0.5。当连续性残差和速度残差均低于10-5时，认为计算结果已达到收敛。

4 计算域和网格划分

坐标原点设在导管出口处的导管中心，参考螺旋桨计算域的设置[5]，以坐标原点为基准，分别向速度入口方向、压力出口方向及导管直径方向延伸为3、6、3倍的导管出口直径,见图4。

图4 计算域网格及导管与定子表面的网格划分

整个计算域采用多块结构化网格的方式进行网格划分，以便能得到较为精细的流场数据。同时，为了精确捕捉导管内定子周围的流动，对导管及定子附近的网格进行加密。根据y+估算得到壁面附近的第一层网格尺寸为0.5 mm，整个导管周向范围内布置大约160个节点。根据导管内定子的数量及周向布置位置的不同，计算域的网格数控制在230万～260万之间，整个计算域的网格和导管及定子的表面网格划分见图4。

在边界条件的设置上，入口设为速度入口，给定来流；湍流强度设为0.1%，涡黏比为1；出口边界设为压力出口；导管和定子的表面设定为无滑移壁面条件。

5 计算结果与讨论

前置预旋导管安装在螺旋桨前方的进流位置，导管内的定子会在螺旋桨的前方诱导产生一个与螺旋桨旋转方向相反的预旋进流，当桨叶经过预旋水流时，螺旋桨相对于流体的实效相转速增加，导致螺旋桨的推力及转矩也相应增加，但螺旋桨实际转速未变，因而提高了推进效率；从能量平衡的角度来看，由定子诱导的预旋流动与螺旋桨诱导的切向诱导速度起抵消作用,从而降低了整个系统的尾流场的旋转能量。但定子叶片也付出了阻力代价。如果“得”大于“失”，则得到节能效果。因此，要达到最大节能效果，则应使尾流中切向速度尽可能小，定子阻力尽可能小。

5.1 不考虑螺旋桨抽吸作用的工况

5.1.1 单个定子

在导管内布置一个定子，通过改变来流攻角α，评估定子在不同来流攻角下产生的预旋作用的大小和单个定子的周向影响区域。图5给出了不同来流攻角下桨盘面处不同半径范围(r/R=0.4～1.2，R为导管半径)内的切向速度分布。

图5 不同来流攻角下桨盘面处的切向速度分布

由图5可见：

1)随着来流攻角的增大，定子产生的切向诱导速度也随之增大，单个定子的周向影响区域大致在±30°之间；

2)在导管半径范围内，定子产生的切向诱导速度为正，在超出导管半径范围时，定子产生的切向诱导速度为负。分析原因是定子使来流产生了预旋，而在定子梢部产生了一个反方向的漩涡，使得在导管半径范围内定子预旋起主导作用，而在超出导管半径范围时，叶梢处的漩涡起着主导作用,见图6。

图6 不同来流攻角下桨盘面的流线图

此外，从计算结果中发现，定子上产生了较大的阻力，在一定范围内，定子上的压阻力随着来流攻角的增大基本呈线性增加，见图7。

图7 定子上的阻力

造成这种现象的原因是：在定子叶背处存在流动分离现象，且流动分离也随着来流攻角的增加逐渐变大,见图8，这种流动分离改变了定子表面的压力分布，使定子上产生了较大的压阻力。

图8 定子表面的流动分离

5.1.2 两个定子

在导管内布置两个定子，评估定子在同一攻角、不同夹角下的切向诱导速度分布，分析定子的夹角对定子预旋作用的影响及影响区域，并与单个定子进行了比较。如图9所示，设置周向0°位置在两个定子中间(单个定子则设在定子所在位置)，从下游看，假设顺时针方向为正，定义平均切向速度为

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分别取θ为60°、100°、180°进行分析，结果见图10。

图9 定子在周向方向的相对位置

图10 桨盘面处的平均切向速度分布

由图10可见，当两个定子间的夹角为45°时，定子产生的切向诱导速度最大，即定子的预旋效果最为明显。因此在进行前置预旋导管内的定子设计时，定子间的夹角应在45°左右，将计算结果与Mewis导管专利文献[6]中的定子布置进行比较，两者十分吻合，见图11。

图11 Mewis导管内定子的周向布置

5.2 考虑螺旋桨的抽吸作用

在上述结果的基础上，考虑螺旋桨的抽吸作用，对导管内布置两个定子(10°攻角/45°夹角)的工况，螺旋桨的作用以体积力代替进行了计算。取4个不同半径(r/R=0.5～0.8)下的结果与不考虑螺旋桨抽吸作用的工况进行了比较，见图12。

从图12中可以看出在螺旋桨的抽吸作用下，定子产生的切向诱导速度有着明显的增加。

此外，当不考虑螺旋桨的抽吸作用时，在定子梢部的位置都产生了较大的漩涡，而在螺旋桨的抽吸作用下，定子梢部的漩涡都明显地减弱了。

图12 考虑/不考虑螺旋桨抽吸作用下桨盘面处的切向速度分布

6 结论

1)前置预旋导管内定子产生的预旋作用随着来流攻角的增大而增加；当攻角较大时，定子叶背处存在的流动分离现象会使定子产生很大的阻力，且流动分离随着来流攻角的增加而加大。因此，在实际设计中，要适当地控制定子的攻角。

2)导管内单个定子的影响区域大约在±30°之间，两个定子最合适的布置是呈45°左右夹角，此结论对前置预旋导管内定子的设计具有一定的参考意义。

3)前置预旋导管安装在螺旋桨的前方位置，受到螺旋桨抽吸作用的影响，以体积力代替真实桨进行数值计算，结果表明在螺旋桨的抽吸作用下，定子产生的预旋效果大大增加，同时定子梢部的漩涡也明显地减弱。实际流场条件下，前置预旋导管还受到船体伴流场的影响，因此，有必要在考虑伴流的情况下对前置预旋导管内定子的布置作进一步的研究。

致谢：本文的研究工作得到中国船舶科学研究中心董事汤研究员的指导，在此表示诚挚的感谢。

[1] MEWIS F,GUIARD T.Mewis duct-new developments,Sulutions and Conclusions[C]∥Second International Symposium on Marine Propulsors,Hamburg,Germany,2011.

[2] MEWIS F.A novel power-Saving device for full-form vessels[C]∥First International Symposium on Marine Propulsors,Norway,2009.

[3] YOUNG H J,KIM I P,YOUNG B C.On the design and application of the energy saving device DSME experience[C]∥IPS’10,Okayama,Japan,2010.

[4] ZONDERVAN G J,HOLTROP J,WINDT J,et al.On the design and analysis of pre-swirl stators for single and twin screw ships[C]∥Second International Symposium on Marine Propulsors,Hamburg,Germany,2011.

[5] 沈海龙.船体与节能附体及螺旋桨的非定常干扰研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2009.

[6] MEWIS F,DRESDEN.Device for reducing the power demand for the propulsion of a ship.United States,US 2009/0229506 A1[P].Sep.17,2009.