基于混合网格技术的桨前超级导流管的仿真研究

郑小龙 黄 胜

（哈尔滨工程大学 船舶工程学院 哈尔滨150001）

引 言

如今，能源对人类生活的影响已达到举足轻重的地位，从某种程度而言，能源已成为限制船舶行业发展的一大因素。目前，国内外已经有很多学者对船舶螺旋桨水动力性能及推进节能装置开展了大量研究［1-7］。马骋等人［3］建立了螺旋桨-舵-舵球推进组合的数学仿真模型，对组合推进装置的水动力性能进行了研究，结果证明能获得比原船型节能5.1%的效果；黄胜等人［4］进行扭曲舵的研究工作，开展扭曲舵的水动力性能预报及模型试验研究，并验证扭曲舵的工作原理；苏玉民等人［5］以升力系数为设计目标，运用面元法理论迭代设计具有任意指定压力分布形式的三维机翼，并通过平顶压力分布形式设计出空泡性能优良的桨叶。超级导流管（SSD）作为一种新型的水动力节能附加装置，其研究和开发对目前乃至今后我国的水运事业和海军装备具有深远意义。

本文确定了超级导流管（SSD）水动力性能分析的CFD仿真方法，并应用流体力学分析软件FLUENT进行数值模拟。首先，在ICEM-CFD软件中建立了船体、螺旋桨和超级导流管（SSD）的几何模型，并进行网格的划分，在FLUENT软件中进行了计算及结果后处理，然后将安装超级导流管（SSD）前后的船模阻力和螺旋桨推力的计算值和试验值进行对比，对比结果表明本文建立的研究桨前超级导流管（SSD）节能效果的CFD数值仿真方法是正确无误的。

1 数学模型

螺旋桨在流体中以一定的转速旋转，可视作螺旋桨模型在轴向静止。假定其周向水域旋转，而螺旋桨与之保持相对静止，采用不可压缩流体RANS方程组作为求解船舶粘性流场特性的控制方程，质量方程为：

动量方程为：

式中：t为时间；ρ为流体密度；μ为流体的动力粘性系数；ui和uj为速度分量时均值；p为静压；xi和xj分别为i和j方向上的位置坐标；gi为单位质量的重力为雷诺应力，雷诺应力项属于未知量。本文选取k-ωSST湍流模型［6］，为使方程组封闭，需对应力项作某种假设，引进新的湍流模型，以此把应力项中的脉动值与时均值联系起来。

2 网格划分及边界条件设定

2.1 计算模型的建立及网格划分

计算选用载重量为75 000 t的散货船为母型船，缩尺比λ= 40，船模的主要参数如表1所示。螺旋桨采用自行设计的4叶不等螺距PBC1螺旋桨，直径D=179.25 mm。

表1 船模的主要基本参数

船体模型部分是将CAD中的型线图导入ICEM，然后在ICEM中建立面，最后完成模型的建立。螺旋桨、舵板和超级导流管（SSD）模型则是通过Fortran程序导入数据点，直接在ICEM中进行建模。图1所示为超级导流管三维几何模型，图2所示为超级导流管的侧视图。导管距离桨盘中心40 mm，根据改变开角θ导流管也可分为不同型号。图3为全附体船体模型图。

图1 超级导流管三维几何模型

图2 超级导流管侧视图

图3 整体几何模型图

网格的划分是CFD模拟过程中最为重要的环节，网格质量的好坏直接影响模拟精度和效率。网格过密会导致计算量增大且计算难以收敛，而网格过疏往往会导致结果不精确。假定水深无限，流域采用长方体流场表达，为保证来流均匀，采取流域的来流入口距离船首为1倍船长。为保证出口不受尾流的影响，尾流出口距离船尾设置为2倍船长，水深设置为1倍船长，水池宽度为2倍船长。本文的计算网格采用混合型网格，即船身采用结构六面体网格，船尾部分采用非结构四面体网格，两部分网格通过Interface连接，网格模型分别如图4和图5所示。

图4 船尾部的非结构网格划分

图5 船体流域的整体网格

2.2 边界条件的设定

本文研究对象是船舶的自由航行状态。来流入口（Inlet）设定为速度入口, 即船舶航行的速度，尾流出口边界（Outlet）定义为质量出口边界。数值水池表面设为壁面，选用k-ωSST湍流模型，螺旋桨的旋转通过滑移网格（Frame Motion）技术来实现，螺旋桨的小域绕桨轴以一定的角速度绕桨轴旋转。使用有限体积法离散控制方程和湍流模式，对流项和扩散项的离散采用2阶迎风格式，压力速度耦合方程的求解使用 SIMPLE 算法，离散的代数方程用Gauss-Seidel 迭代法求解，收敛判据设定为1e-07。

3 计算结果与分析

3.1 无导管状态下的流场计算结果

对无导管的光体船进行数值仿真，取8个不同航速状态进行CFD计算，提取出无导管时光体船的阻力及螺旋桨水动力系数，并将计算结果与试验值进行对比，结果如表2-表4及下页图6所示。

表2 无导管自航螺旋桨推力值（N）

表3 无导管自航螺旋桨转矩值（N·m）

表4 无导管自航船体阻力值（N）

图6 无导管时船尾流场的速度云图

通过CFD计算得到的螺旋桨推力、转矩以及船体阻力，与模型试验结果对比可见，二者十分吻合，具有良好的趋势一致性，说明本文采用的计算方法能够准确预报船体的阻力及螺旋桨的水动力性能。

3.2 加装超级导管状态下的的流场计算结果

对装有开角θ=15°的超级导流管的船体进行数值仿真，取8个不同航速状态进行CFD计算，提取出在加装导流管后船体阻力及螺旋桨水动力系数，并与试验值进行对比，结果如表5-表7和下页图7所示。

表5 加装导流管时螺旋桨推力值（N）

表6 加装导流管时螺旋桨转矩值（N·m）

表7 加装导流管时船体阻力值（N）

由图表中列出的仿真计算与模型试验结果对比可以看出，通过CFD软件计算螺旋桨推力、转矩以及船体阻力与试验值吻合度很高，具有良好的趋势一致性。通过将加装导管后的计算值与裸船体对比发现，螺旋桨的推力有所增大，转矩值有所减小。根据推进效率公式计算可知，螺旋桨的推进效率明显增大，船体的阻力没有发生明显变化，说明导流管对船体阻力性能的影响可以忽略不计。

图7 加装导流管时船尾流场的速度云图

将加装超级导流管的船尾速度分布云图与裸船体对比发现，当流体流经导管之后会有一个加速，即在相等的航速时螺旋桨的进流速度变大，对螺旋桨推进效率的提高产生积极影响。此现象与上述表格中的计算值较为符合。在船尾处的流线受到超级导流管的作用，更贴近船体表面，避免船尾流场的分离而产生“稳流效应”，从而可以减小船舶的形状阻力。由图7还可以看出，导流管翼剖面内外速度分布有一定的改变，翼背上的流速很低，而翼面的流速高，因此翼背与翼面上会形成一个压力差，使超级导流管提供一个向前的推力，达到了节能效果。

表8所示为航速16.5 kn时，导管开角分别为9°、10°、11°、12°、13°、14°时的螺旋桨水动力性能，由上表中列出的仿真计算与模型试验结果对比可以看出，通过CFD软件计算而得的螺旋桨水动力系数与试验值吻合度依然较高。随着开角的逐渐增大，螺旋桨的推力变化呈现先减小后增大的趋势，侧视图开角为10°时达到最小，开角为14°时达到最大；螺旋桨的转矩随着开角增大呈现先减后增的趋势，且螺旋桨的转矩在开角为12°时达到最小，开角为9°时达到最大。

表8 加装不同开角的导流管时螺旋桨水动力性能

总体而言，对于不同类型的超级导流管，采取本文所使用的计算方法均能获得较好结果，这也说明本文所采用的计算方法十分可靠。

4 结 论

采用混合网格技术对桨前超级导流管的节能效果进行CFD验证，将加装导流管前后的螺旋桨水动力系数及船体阻力进行对比，计算结果表明桨前导流管能提高螺旋桨的推进效率，且不会使船体阻力明显增大。在验证超级导流管节能效果的同时，还提供一套预报船体粘性流场的数值计算方法，对后续研究工作具有重要的参考价值。

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