带节能装置的船模自航试验数值模拟

程 宣 恺

（上海船舶研究设计院，上海 200032）

0 引 言

能源紧缺、石油价格上涨、温室效应等问题使得节能减排越来越引起关注。船舶航运业消耗大量的能源和排放大量的温室气体，因此船舶节能成为世界各国造船界和航运界研究的重要课题。近年来，国际海事组织（IMO）加快了实施绿色造船、限制新建船舶温室气体排放的步伐，推动了船舶能效设计指数（EEDI）和能效运营指数（EEOI）标准的制定和实施[1]。EEDI和EEOI的强制执行对船舶行业有较大的影响，因此，提高船舶能效水平是设计人员重点关注的问题。目前，国内外正在大量研究采用水动力节能装置提高EEDI和EEOI。日本三井造船从1986年开始研究在螺旋桨毂帽上安装与螺旋桨桨叶数量相同的小鳍片，可以减小螺旋桨后形成的毂涡，从而提高螺旋桨效率。荷兰Maritime研究中心Dang Jie开展了前置导管、螺旋桨毂帽鳍等节能装置的研究[2]。国内一些船舶研究机构也对螺旋桨毂帽鳍进行了大量的试验研究[3～5]，主要研究不同布局的预旋三角导管对船舶阻力、自航因子和各效率的影响，优选出性能较好的预旋三角导管布局，然后通过水池试验验证，为船舶节能装置的设计提供参考。

1 节能装置几何模型

1.1 预旋三角导管

采用的节能装置是预旋三角导管，其是一种用于右旋单桨船的节能导管（见图 1、2），设于船尾的螺旋桨20以及船体21之间，其特征为：

1）预旋三角导管呈扇形结构，从螺旋桨20后侧看，船体中纵剖面的左侧船尾从上到下设有第二叶子12、第一叶子11，右侧设有第三叶子13；第一叶子11、第二叶子12以及第三叶子13的长度相等；第一叶子11的叶根、第二叶子12的叶根以及第三叶子13的叶根分别与螺旋桨轴套22外侧固定连接；导板14的叶背分别与第一叶子11的叶梢、第二叶子12的叶梢以及第三叶子13的叶梢固定连接；

2）第一叶子的剖面、第二叶子的剖面、第三叶子的剖面以及导板的剖面均为机翼型剖面；

3）第一叶子与船体中纵剖面的夹角为β1，其范围为70～75°，第二叶子与船体中纵剖面的夹角为β2，其范围为20～30°，第三叶子与船体中纵剖面的夹角为β3，其范围为70～75°；

4）从叶根往叶梢的方向看，第一叶子的叶面在螺旋桨轴套上的投影与螺旋桨轴套的轴线的夹角为第一叶子的叶面沿轴线逆时针旋转α1，其范围为12～17°；第二叶子的叶面在螺旋桨轴套上的投影与螺旋桨轴套的轴线的夹角为第二叶子的叶面沿轴线逆时针旋转α2，其范围为10～15°；第三叶子的叶面在螺旋桨轴套上的投影与螺旋桨轴套的轴线的夹角为第三叶子的叶面沿轴线逆时针旋转α3，其范围为 14～18°；

5）第一叶子11的厚度比、第二叶子12的厚度比以及第三叶子13的厚度比均为10，导板14的厚度比为7（见图3）；

6）叶子的长度也要在一定的范围内才能保证良好的节能效果，叶子的外梢端要在90%R-105%R的范围内，其中R为螺旋桨半径。

图1 预旋三角导管布置

图2 船体、桨和预旋三角导管布置

图3 翼型

1.2 工作原理

采用桨前预旋原理和加速螺旋桨上部进流，使螺旋桨盘面进流更加均匀，重点在于降低螺旋桨尾流场因旋转而损失的能量，提高螺旋桨推进效率及减少因尾部流动分离而附加的形状阻力。

2 数学模型

2.1 控制方程与湍流模式

不可压缩黏性流体的连续性方程和RANS方程可写成如下形式：

由于方程（1）、（2）不是封闭的，因此需要寻求补充关系-湍流模型，使问题封闭，采用SSTk-ω湍流模式进行数值计算。SSTk-ω湍流模型在处理近壁处流动时采用标准k-ω湍流模型；在处理边界层边缘和自由剪切层时，采用k-ω湍流模型，更适合于对流减压区的计算，并且方程还考虑了流动的正交发散项，从而使方程在近壁面处和远壁面处都适合。

式（1）～式（4）中各参数的选取，可参考文献[6]、[7]。

2.2 建立模型

采用设计桨进行数值模拟，在德国汉堡水池敞水试验的参数见表1。

表1 螺旋桨的几何参数

对不同布局的预旋三角导管进行了数值模拟，其分布角度见表2（布局一为不带预旋三角导管的一种布局）。

表2 预旋三角导管布局分布

第一叶子、第二叶子和第三叶子以及α1、α2、α3、β1、β2、β3的意义可参考“节能装置几何模型”部分。预旋三角导管的三维示意图见图4。

船体线型是由上海船舶研究设计院优化设计的，在德国汉堡的拖曳水池做了阻力和自航试验。其主尺度见表3。舵是实际尺寸按照比例（324/7.593）缩放，在SHIPFLOW软件中进行建模计算。

表3 船型的主尺度和几何参数

图4 预旋三角导管

2.3 计算区域与边界条件

对于船模阻力和自航试验，船模采用自由模，计算区域为半个圆柱，进行整船计算，纵向从船艏向前延伸0.5个船长，从船艉向后延伸1个船长；横向从中纵剖面向两侧各延伸2.5个船长；垂向从静水面向下延伸2.5个船长（见图5）。

控制方程使用有限体积法离散，其中对流项采用二阶迎风差分格式。入口边界采用速度入口；出口边界采用自由出流；船体表面为滑移壁面[6,7]。

图5 船体区域划分

2.4 网格数

采用全结构化网格，网格的拓扑关系为：横向为O型网格，纵向为H型网格。船模阻力和自航试验的数值模拟，总网格数约410万（见图6）。

图6 船体、舵、桨和导管区域的网格形式

3 计算结果分析

运用SHIPFLOW软件分别对带5种不同布局预旋三角导管的船模进行阻力和自航数值模拟计算，从模拟结果中分析得到水动力性能较好的预旋三角导管(布局四)，然后在德国汉堡水池进行不带预旋三角导管的船模（布局一）和带水动力性能较好的预旋三角导管（布局四）船模进行对比试验。

3.1 不同布局的预旋三角导管对船模阻力的影响

对船模带不同布局预旋三角导管的流场进行数值模拟，湍流模型采用SSTk-ω，每种布局的预旋三角导管模拟一个速度（设计航速）点，弗劳德数Fr是0.1396，雷诺数Re是8.228×106。表4为带不同布局预旋三角导管船模数值模拟计算的总阻力系数值及试验结果。

表4 带不同布局预旋三角导管的船模总阻力系数模拟结果及试验结果

1）带预旋三角导管（布局二、三、四、五）的船模总阻力系数比不带预旋三角导管（布局一）的船模总阻力系数要大；

2）带有预旋角度的三角导管（布局四和五）船模总阻力系数比无预旋角度的三角导管（布局三）船模总阻力系数大；

3）不同的叶子预旋角度α1、α2、α3（布局四和布局五比较）对总阻力系数有一定的影响；

4）叶子布置角度β2的大小（布局二和布局三比较）对总阻力系数也有一定的影响。

出现上面现象的原因分析：

(1) 数值模拟存在一定的偏差，节能导管作为小的附体在数值模拟时存在离散误差；

(2) 三角导管中的叶子带有预旋，改变了水流的流向，有一定的附加阻力，但叶子的预旋角度大小不同对水流的阻碍效果也不一样；

(3) 叶子布置角度β2=28°，可能是水流动耗能较少的角度，对水流的阻碍较小，因此其也有最佳角度。

在德国汉堡水池对裸船体（没有预旋三角导管，即布局一）和带节能预旋三角导管（布局四）的船模进行了阻力和自航试验。数值模拟结果与试验值比较，布局一的船模总阻力系数偏差2%，布局四的船模总阻力系数偏差5%，能满足应用要求。

数值模拟和试验结果有偏差的原因分析：

1）湍流模型都是SSTk-ω，并不能完全模拟真实的湍流；

2）边界条件：入口湍流特征量的给定是基于经验公式，未能保证与试验一致；出口边界条件使用自由出流，也未能保证与试验一致；

3）船体由网格来离散，目前的网格数量还不能完全保证离散后的船体和真实的船体完全一致；

4）预旋三角导管作为一个小的节能附体，在网格划分和与船体网格嵌套上可能存在影响计算精度的因素。

3.2 不同布局的预旋三角导管对船模自航的影响

对于船模自航数值模拟，SHIPFLOW软件是基于纯粹自航法进行数值模拟的，即根据船模速度Vm时的强制力FD值，事先在船模上予以扣除，使得拖曳力Z等于强制力FD，然后调节螺旋桨的转速，使其发出的推力恰能克服阻力(Rm-FD)，保持船模速度和拖车的速度Vm相等。

船模自航数值模拟的区域和网格划分，边界条件的设定和湍流模式的选择和阻力模拟的一致，额外加入了螺旋桨敞水特征数值和螺旋桨的转速及转向，模拟真实的螺旋桨运动。模拟了一个速度点（设计航速）的自航，弗劳德数Fr为0.1396，换算到实船的航速为15.5kn，自航模拟的结果和试验结果见图7。

图7 带不同布局预旋三角导管的自航因子模拟结果及试验结果

1）带预旋三角导管（布局二、三、四、五）的船模伴流分数比不带预旋三角导管(布局一)船模的伴流分数有大幅度提高；

2）带有预旋角度的三角导管（布局四和五）船模伴流分数比无预旋角度的三角导管（布局三）船模伴流分数大；

3）不同的叶子预旋角度α1、α2、α3（布局四和布局五）对伴流分数有一定的影响；

4）叶子布置角度β2的大小（布局二和布局三对比）对伴流分数也有影响；

5）带预旋三角导管（布局二、三、四、五）的船模推力减额比不带预旋三角导管（布局一）船模的推力减额增大；

6）带预旋三角导管（布局二、三、四、五）的船模相对旋转效率比不带预旋三角导管（布局一）船模的相对旋转效率也有一定的变化。

出现上面现象的原因分析：

(1) 预旋三角导管集中和加速了螺旋桨上部进流，使螺旋桨盘面进流更加均匀；

(2) 预旋三角导管带有预旋角度，使得流经导管的水流有旋转效果，降低了螺旋桨尾流场因旋转而损失的能量；

(3) 叶子预旋角度大小影响水流流出导管的方向，存在和螺旋桨旋转配合的最佳方向角；

(4) 第二片叶子把流入导管的水流分成两个部分，水流量的比例也会影响螺旋桨的效率；

(5) 导管对推力减额和相对旋转效率的影响比较复杂，和船、桨、导管的相互作用关系密切，需进一步研究和探讨。

4 总体分析

利用SHIPFLOW软件数值模拟了某船的快速性试验以及节能附体、桨、舵和船体相互干扰的情况，计算其自航因子和效率，优选出水动力性能较好的节能装置，与试验进行比较，验证了整个模拟过成及方法的可行性。总体分析各数值模拟的结果和试验结果如下：

4.1 阻力数值模拟

(1) 带预旋三角导管的船模总阻力系数比不带预旋三角导管的船模总阻力系数要大；

(2) 带有预旋角度的三角导管船模总阻力系数比无预旋角度的三角导管船模总阻力系数大；

(3) 不同的叶子预旋角度α1、α2、α3和叶子布置角度β2对总阻力系数有一定的影响。

4.2 自航数值模拟

(1) 带预旋三角导管的船模伴流分数比不带预旋三角导管船模的伴流分数有较大提高；

(2) 带有预旋角度的三角导管船模伴流分数比无预旋角度的三角导管船模伴流分数大；

(3) 不同的叶子预旋角度α1、α2、α3和叶子布置角度β2对伴流分数有影响；

(4) 带预旋三角导管的船模推力减额比不带预旋三角导管船模的推力减额增大；

(5) 带预旋三角导管的船模相对旋转效率与不带预旋三角导管船模的相对旋转效率相比有变化。

4.3 数值模拟和试验比较

(1) 阻力方面：布局一的船模总阻力系数偏差为2%，布局四的船模总阻力系数偏差为5%；

(2) 自航方面：数值结果与试验结果比较有偏差，数值模拟结果可作为定性分析的依据。

5 结 语

从上面的分析可知，阻力计算结果精度基本能达到工程应用的要求，自航计算结果的精度尚未完全达到工程应用的要求，有待于进一步提高，自航数值模拟的整个思路可以给线型设计和螺旋桨设计提供参考。

[1] 张越峰. 船用水动力节能装置分析[J]. 上海造船，2010, (2): 7-13.

[2] Jie Dang, Hao Chen, Guoxiang Dong. An Exploratory Study on the working Principles of Energy Saving Devices (ESDa) [A].Symposium on Green Ship Technology [C]. Wuxi, China, 2011.

[3] 钱文豪，范佘明. 水动力附加节能装置在内河船上的应用[A]. 全国内河船学术研讨会论文集[C]. 1995.

[4] 王 超，黄 胜，常 欣，郑建成. 螺旋桨毂帽鳍水动力性能数值分析[J]. 船海工程，2009，6(38).

[5] 杨仁友，沈泓萃，姚惠之. 带前置导叶桨潜艇自航试验的数值模拟与自航因子预报[J]. 船舶力学，2005，9(2).

[6] 程宣恺，周志勇，等. 船模自航试验数值模拟研究[J]. 船舶与海洋工程，2013, (3): 10-15.

[7] 王福军. 计算流体动力学分析-CFD软件原理与应用[M]. 船舶力学，2005，9(2).