气层对肥大型船后螺旋桨的影响研究

吴　浩　叶　青　欧勇鹏

(海军工程大学舰船工程系　武汉　430033)

气层对肥大型船后螺旋桨的影响研究

吴浩叶青欧勇鹏

(海军工程大学舰船工程系武汉430033)

摘要：基于RANS方程和VOF两相流模型，建立了载重量95 000 t散货船模型敞水桨，以及气层作用下船后桨的水动力性能计算方法；分析了喷气与不喷气情况下螺旋桨推力、转矩，以及桨盘面处的流场，研究了喷气对螺旋桨性能的影响规律.结果表明，喷气使得船后桨盘面处轴向平均速度增大，平均伴流减小；对本文设计的气层减阻方案而言，气体并未进入螺旋桨工作区；在相同速度和螺旋桨转速下，喷气使得船后螺旋桨的推力和转矩均减小.

关键词：气层；螺旋桨；平均伴流；推力；转矩

0引言

船底气层的存在对船后的螺旋桨的影响程度如何，关系到气层减阻技术在工程应用中的可行性.若能获得阻力大幅降低且螺旋桨性能变化不大的船舶气层减阻技术，将会对我国的航运事业节能减排做出重大的贡献.

Kodama等[1-2]在一艘海员训练船上开展气层减阻实船测试没有获得有效的节能效果，气体进入螺旋桨工作区是其中的主要原因之一.Hoang等[3]在结合边界层积分方程及经验公式计算喷气对船舶阻力的影响时发现：边界层的发展情况因喷气而被改变，从而导致螺旋桨盘面处的速度分布发生改变，进而影响螺旋桨的效率.Kawabuchi等[4]为了预估三菱重工集团在船舶上安装气体润滑减阻装的减阻效果，针对模型进行了数值计算.计算表明，气泡的直径变化不会影响减阻效果，且气泡对螺旋桨的影响也可以忽略.Mizokami等[5]在2艘模块化运输船舶上安装了微气泡气层润滑系统，实船测试净节能效果最大可达12%；随着气层厚度增加，节能效果增加；在加装气层润滑系统后，对螺旋桨直径、螺距等参数进行一定改进后可进一步提高节能效果.

为了研究船底气层是否会进入螺旋桨工作区，并且气层的存在是否会影响螺旋桨的推进效率.本文分别对敞水桨和喷气状态下船后桨进行数值模拟，观测气体是否进入螺旋桨的工作区，并对气层对螺旋桨推进性能的影响规律进行探索.

1螺旋桨敞水性能

1.1数值计算模型与网格划分

螺旋桨计算模型的主要参数见表1.

表1　模型螺旋桨主要参数

图1～2分别给出了螺旋桨表面网格划分及流场区域边界条件设置.为提高计算精度，外部流场采用全结构化网格离散，螺旋桨周围流场采用非结构化网格，两者之间采用interface过渡.入口定义为速度入口，出口定义静压出口，流场边界定义为无滑移壁面，内部流场区域采用MRF方法绕桨轴旋转，湍流模型选择RNG k-ε湍流模型.

图1　螺旋桨表面网格划分

图2　流场区域划分及边界条件设置

1.2计算结果分析

图3给出了螺旋桨敞水性能曲线的计算值与试验值对比.图中kt和kq分别为推力系数和转矩系数；ηo为敞水效率；J为螺旋桨的进速系数，计算公式如下.

(1)

(2)

(3)

(4)

式中：T为螺旋桨推力；Qb为螺旋桨转矩；ρ为流体密度；n为螺旋桨的转速；D为螺旋桨的直径；Va为螺旋桨的进速.

从图3可知，计算值与试验值误差不大，kt最大误差为4.46%，kq最大误差为5.08%，ηo最大误差为3.8%，计算值与试验值相差较小，说明计算结果合理可靠.

图3　螺旋桨敞水性能曲线

2喷气对桨盘处流场的影响

2.1计算模型

计算模型母型船为一艘载重量95 000 t散货船，母型基本参数见表2.船底凹槽的设计采用文献[6]中的方案3.

表2　散货船模型船体参数

该船为典型的低速肥大船型，具有大平底，长平行中体的特点，且Cb>0.8，0.13

图4给出了计算流域网格划分及边界条件设置.整个流域采用全结构网格离散，入口设定为速度入口，距船体1倍船长，出口为静压出口，距船体2倍船长，流场侧面距船体1倍船长，均设置为光滑壁面，中纵剖面设置为对称面.图5给出了船体表面全结构化网格.根据模型尺寸分别计算船体表面边界层厚度及第一层网格尺寸，保证在所计算速度范围内y+值介于30～130之间.湍流模型为RNG k-ε模型，多相流模型选择VOF多相流模型；控制方程的离散为二阶迎风格式，压力与速度的耦合采用SIMPLEC算法.

图4　叠模网格方案及边界设置

图5　带凹槽船体表面上的网格划分

2.2计算结果分析

图6给出了不同航速和气流量下螺旋桨盘面处流场速度云图.

图7给出了螺旋桨盘面不同半径处轴向速度沿周向的变化曲线.图中0°取为纵轴正向.

图6　不同气流量下螺旋桨盘面处流场分布

图7　螺旋桨盘面不同半径处轴向速度

结合图6～7可知，与不喷气时船尾流场相比，喷气使得船体周围流场改变，进而使得螺旋桨盘面处轴向平均速度增大，即螺旋桨盘面处的平均伴流减小.

3喷气对船后螺旋桨的影响

考虑到船后螺旋桨与船体之间的相互影响，对喷气状态下的船后螺旋桨性能进行了研究.船体表面兴波对螺旋桨盘面处流场影响甚微[9].同时，低速肥大型船底部喷气对航行姿态的影响也较小.基于以上结论，为提高计算效率，计算中忽略船体表面兴波的影响.

3.1计算模型

主船体及周围流场采用全结构化网格离散，螺旋桨及周围采用非结构化网格离散，两者之间采用interface过渡.图8给出了船首及船尾螺旋桨表面网格的划分情况，图9给出了流场网格的划分和边界条件的设定情况.

图8　船艏及船艉表面网格划分

图9　流场网格划分及边界条件

3.2计算结果分析

图10给出了不同速度下，气流量为10 m3/h时螺旋桨表面的气相分布云图.由图10可见，对本文所计算的模型及凹槽开设方案而言，气体并未进入螺旋桨工作区.图11给出了强制自航试验时拍摄的模型底部气层照片，从试验拍摄到的模型底部气层形态照片上也可以验证这一结论.

图10　船艉气相分布

图11　模型底部气层形态

表3给出了不同速度下，气流量为10 m3/h与不喷气时螺旋桨推力及转矩的计算值.数值计算时，通过不断变化螺旋桨转速，使得螺旋桨推力与模型阻力大小相等时对应的螺旋桨转速即为模型的自航点.表3中所列转速即为通过数值计算寻找到的模型不喷气时的自航点，对应的推力和阻力值相差小于2%.从表3可知，相同航速和螺旋桨转速下，喷气时螺旋桨推力和转矩值较不喷气时均变小.其原因在于喷气使得螺旋桨盘面处轴向速度增大，平均伴流减小，相同转速下螺旋桨进速增大，故kt，kq减小.同时，喷气时气体未进入螺旋桨工作区，流体密度ρ不变，因此喷气时螺旋桨推力及转矩均减小.

值得注意的是，喷气时模型总阻力减小，螺旋桨自航点将发生改变，从而推进效率也将发生改变，因此研究喷气对螺旋桨推进性能的影响需要对螺旋桨在新的自航点处进行分析，这是后续应该深入研究的问题.

表3　喷气前后螺旋桨推力及转矩

4结论

本文基于RANS方程和VOF两相流模型，对螺旋桨敞水性能，喷气前后船尾流场分布及喷气前后船后螺旋桨推进性能进行数值模拟.主要结果如下.

1) 喷气使得螺旋桨盘面处轴向平均速度增大，平均伴流减小.

2) 相同速度和螺旋桨转速下，喷气使得螺旋桨推力和转矩值较不喷气时减小.

3) 对本文中的船底凹槽方案而言，气体并未进入螺旋桨工作区.

4) 喷气使得船舶的阻力减小，螺旋桨自航点将发生改变，因此研究喷气对螺旋桨推进性能的影响需要对螺旋桨在新的自航点处进行分析.

参 考 文 献

[1]KODAMA Y, KAKUGAWA A, TAKAHASHI T, et al. A full scale experiment on micro bubbles for skin friction reduction using SEIUN-MARU, part 1 The preparatory study[J]. Journal of the Society of Naval Architects of Japan,2002,192(3)：1-14.

[2]NAGAMATSU T, KODAMA Y. A full-scale experiment on micro-bubbles for skin friction reduction using SEIUN-MARU, part 2 The full-scale experiment[J]. Journal of the Society of Naval Architects of Japan,2002,192(3)：15-28.

[3]HOANG C, YASUYUKI T, YUGO S. A consider on drag reduction by air lubrication using integral type boundary layer computation[J]. The Japan Society of Naval Architects and Ocean Engineers,2011(6):59-65.

[4]KAWABUCHI M, KAWAKITA C, MIZOKAMI S. CFD predictions of bubbly flow around an energy-saving ship with mitsubishi air lubrication system[J]. Mitsubishi Heavy Industries Technical Review,2011,48:53-57.

[5]MIZOKAMI S. Development and full-scale verification tests of air lubrication system[J]. ClassNK TechnicalBulletin,2012,30：11-21.

[6]吴浩,欧勇鹏.肥大型气泡船底部凹槽构型设计及优化[J].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2015,39(5)：963-967.

[7]吴琼,于海,熊小青,等.考虑自由液面的肥大船CFD阻力预报和伴流场模拟[C].七届更迭 三十回眸：第七届船舶力学学术委员会全体会议论文集,2010.

[8]欧勇鹏.气泡船粘性流场分析及大型船舶气层减阻方案优化设计[D].武汉：海军工程大学,2012.

[9]王展智.主船体-附体-螺旋桨相互干扰的CFD研究[D].武汉：海军工程大学,2010.

Study on the Influence of Air Layer to the Propeller of a Full Formed Ship

WU HaoYE QingOU Yongpeng

(NavalEngineeringDepartment,NavalUniv.ofEngineering,Wuhan430033,China)

Abstract：The propulsion performances of the open-water propeller and after ship propeller with air injection for a 95000 DWT bulk carrier are studied by RANS and VOF multiphase model. The influence of air injection on the propulsion performance of the propeller is investigated by the comparison of the thrust and torque of propeller, flow field at the propeller plane and the air phase distribution in the propeller working area for the cases with and without air injection. The results show that the average wake in the flow field of the propeller plane becomes smaller with the air injected to the ship bottom. There is no air in the propeller working area and the thrust and torque of the propeller is smaller than the case without air injection at the same ship sailing and propeller rotate speed.

Key words：air layer; propeller; average wake; thrust; torque

收稿日期：2016-03-03

中图法分类号：U644.33

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2016.03.012

吴浩(1987- )：男，博士生，主要研究领域为船舶流体动力性能

*高性能船舶技术教育部重点实验室开放基金项目(2013033102)、工信部高技术船舶科研计划项目([2011]530)资助