喷水推进器流道对船舶阻力性能的影响

2017-01-02钱浩宋科委郭春雨龚杰

中国舰船研究 2017年2期

关键词：推进器航速压差

钱浩，宋科委，郭春雨，龚杰

1中国船舶及海洋工程设计研究院，上海200011

2哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

喷水推进器流道对船舶阻力性能的影响

钱浩1，宋科委2，郭春雨2，龚杰2

1中国船舶及海洋工程设计研究院，上海200011

2哈尔滨工程大学船舶工程学院，黑龙江哈尔滨 150001

［目的］喷水推进船舶的阻力性能与常规船舶有着很大的不同，喷水推进器流道的存在会改变船舶尾部流场，对船舶阻力性能有着很大的影响。［方法］以FA1型三体船为计算模型，利用CFD软件STAR-CCM+，将喷水推进器流道看作附体，对比研究安装不同进流角喷水推进器流道前后船舶尾部流场变化。通过对比流道表面压力分布、船体流线的变化，阐述船舶阻力以及阻力成分产生变化的机理。［结果］结果表明：STAR-CCM+可以实现对于船舶阻力性能的预报；喷水推进器进水流道的安装会增大船舶阻力，主要为压差阻力的增大。［结论］对进水流道倾角的优化可以增进喷水推进船舶的阻力性能。

喷水推进器；船舶阻力；数值模拟；流道

0 引言

喷水推进作为一种特殊的推进方式，它是利用从泵中喷出高速水流的反作用力来推动船舶前进［1］。喷水推进和传统的螺旋桨推进相比具有更多的优势，如推进效率高、水下噪声小、适应工况能力强［2］及高速时空泡性能好［3］等。

国外对喷水推进器的研究开始得比较早。近年来，CFD技术已逐渐成为一种强大的研究工具。一方面，其在研究复杂泵内部流动中取得了很好的效果，例如，日本国家海事技术研究所、美国的泰勒水池以及爱尔华大学等机构都在用CFD技术对“船+泵”整个系统进行粘性流场模拟分析［4］，代夫特工业大学的Van Terwisga［5］也在研究喷水推进器与船体之间的相互作用。另一方面，利用CFD软件来实现对船舶阻力性能的预报也是当下的研究热点。Brizzolara等［6］利用CFD软件取得了对不同类型三体船阻力性能的预报，并对三体船的一些结构布局进行了研究。Carr［7］分析研究了三体船主体、片体之间相互的兴波干扰及其产生的原因，利用CFD数值模拟对他们之间的相对位置进行了合理优化。Mizine等［8］通过大量试验数据与CFD计算结果的结合，比较了三体船尾部流场的变化，进而实现了对三体船片体布局的优化。

国内对于喷水推进器的研究始于上世纪70年代。高双［9］、葛宜龙［10］和于大伟［11］分别对喷水推进技术进行了不同方面的研究。于大伟［11］通过CFD数值模拟研究了船体尾部形状、流道参数以及喷水推进器对三体船性能的影响。丁江明等［12］利用计算流体力学对喷水推进器进水流道的设计进行了优化。刘承江等［13］研究了流场控制体大小对喷水推进器性能预报的影响。毛筱菲等［14］利用CFD软件FLUENT研究了边界层对喷水推进器进水管内流场的影响，为进水管道的设计提供了参考依据。

喷水推进器产生摩擦阻力的主要部分为进水流道，对船体的阻力性能影响很大。国内对喷水推进器进水流道的研究不多且研究方法较为单一，因此，本文从另一角度来研究进水流道对船舶阻力性能的影响。本文将喷水推进器流道看成一个附体来处理，对比喷水推进器流道安装前后船舶阻力的变化，通过对比船舶尾部压力分布、船体流线的变化来阐述船舶阻力以及阻力成分变化的机理，以便为喷水推进器流道对船舶阻力性能影响的研究提供新的思路以及参考依据。

1 CFD数值模拟

1.1 计算模型的建立

本文使用CATIA软件进行建模，将FA1型三体船进行一些布置上的优化，得到所使用的计算模型，计算模型的基本参数如表1所示。

文中选取了3种不同倾角（25°，30°和40°）的进水流道，一是为了避免试验单一性造成的误差，二是对喷水推进器的流道进行优化。

计算模型和喷水推进器流道模型分别如图1和图2所示。

关于计算域的选取，文中选取的是半船的计算域，查阅相关文献资料［15］，计算域具体设定为：

1）船前方取1倍船长；

2）船后方取2倍船长；

3）水线面上方取0.5倍船长；

4）水线面下方取1倍船长；

5）船宽方向取1.5倍船长。

计算域模型如图3所示。

1.2 网格的划分

网格的划分是整个数值模拟过程中很重要的一个环节，该过程有很多工作要做，也是最耗时的部分。网格的数量以及网格质量会对计算结果产生很重要的影响，所以在进行网格划分时网格既不能划分得过密，也不能划分得过疏。如果网格过密，一来会增加计算耗时，二来计算的准确性也不会有明显的提高，有时反而会适得其反。而若网格过疏，计算结果的精度程度往往达不到要求。

船舶艏艉的曲率变化很大，必须对其进行单独加密，以保证网格质量。同时，开尔文波系对研究船舶的兴波阻力非常重要，所以对靠近船体的区域进行网格加密（图4）。文中，加密网格一般分为3个过渡层逐步进行，以保证网格质量。

划分网格之前，首先须计算边界层厚度δ的，边界层厚度直接关系到近壁面网格的划分情况，对最终计算结果的准确性影响很大。

式中：x为距船艏的距离；L为船长；δ为边界层厚度；Re为雷诺数；Rex，ReL，Reδ为相应的雷诺数。

对于船舶这种“钝体“来说，Rex的边界层并不是在驻点处从零算起的。所以为了安全起见，一般将Reδ设定为ReL的20%～25%，本文设定为20%。得到边界层厚度的经验公式为

毛筱菲等［14］认为进流口的边界层对进水流道的性能有一定影响，参考其得出的结论，对边界层网格进行划分，边界层数设定为7层。

1.3 物理模型的选取

现今对于自由液面的模拟包括标记与单元法（Marker and Cell，MAC）和流体体积法（Volume of Fluid，VOF）法，其中MAC法相比于VOF法有许多劣势，例如，其计算量非常大，在一些情况下容易失真。VOF法是目前使用最为普遍的一种方法，主要源于Hirt以及Nichols的想法，并带起了国际上的研究热潮。

VOF法用于研究两种或多种不相容介质的交界面，所有介质体积分数相加为1。VOF法通过网络体积比函数 f来实现，f值的大小表示流体的占有比例。本文研究的是空气和水2种流体介质，指定的流体相为空气。

除了选取的流体域体积函数法（VOF法）之外，湍流模型选取为k-ε模型，可选模型之中选择的为重力模型、单元质量校正和VOF波。

1.4 边界条件的设定

边界条件一般被分为2种：第1种为渗透性边界，例如速度入口，在这些边界处可以发生进来流等物质交换；第2种就是像固壁面这种非渗透性边界，相应地，这些边界处不能发生物质交换。进行CFD数值计算时，一般将边界条件划分为以下几种：进口边界、出口边界、对称面边界以及固壁面边界。

本文在设定边界条件时，只是将船体及其附体设为壁面边界，并没有将计算域的边界设为壁面，这样一来就可以更加真实地模拟出船舶在实际航行中宽广的水域，计算结果也会更加准确。

最终，计算域边界条件类型设定如下：进口类型为速度进口，出口类型为压力出口，船中剖面为对称面，船体以及流道设定为无滑移壁面。

计算域边界条件的具体设定如图3所示。

2 裸船体阻力性能预报

2.1 阻力值与试验值对比分析

由表2和图5显示：当船舶航速较低时，裸船体阻力计算值与试验值的差值较小，试验值与计算值吻合较好。当傅汝德数Fr=0.103时，两者的差值为3.446%；当傅汝德数Fr在0.103～0.441之间时，两者的差值维持在5%左右，达到了很好的计算精度。

但是随着航速的增加，两者的差值也随之增大，当傅汝德数 Fr=0.485时，差值达到了9.207%。这主要是由于模拟计算过程与试验中物理环境的些许差别造成的，船模在进行高速试验时有可能产生纵倾和深沉，船舶的纵倾或者升沉会对船舶阻力产生很大的影响。并且随着航速的增加，阻力值增速变大，航速对阻力值的影响很大。

2.2 不同航速下阻力成分的对比

本文将船体阻力分为剪切阻力与压差阻力来进行研究，其中剪切阻力为剪切应力的合力，即摩擦阻力；压差阻力为粘压阻力与兴波阻力之和。

从表3和图6可以看出：船舶在航速较低时，剪切阻力，也就是摩擦阻力占船舶总阻力的比值较大。当傅汝德数Fr=0.103时，剪切阻力约占总阻力的2/3，而随着航速的增大，剪切阻力与压差阻力逐渐趋于相等。这主要是由于随着航速的增加，船舶的兴波阻力逐渐增大，其占总阻力的成分也随之增大。

3 喷水推进器流道对船舶阻力性能的影响

3.1 流线结果对比分析

图7和图8分别为傅汝德数Fr=0.103和0.485时的流线结果对比图。图中显示：喷水推进器流道的安装会改变水流的运动轨迹，水流在进水流道内会改变原先的流动方向，甚至还会形成漩涡以及回流。漩涡以及回流的产生会降低水流的动能，也就会增加船舶航行时的阻力。通过对比安装不同进流角流道船体的流线图，发现随着流道倾角的增大，进水流道内流体的方向改变越来越大。图中显示：当流道倾角为40°时，喷水推进器内部还会有回流产生，这对船舶的阻力性能很不利。

3.2 流道结果表面压力对比分析

图9和图10分别为Fr=0.294和0.485时的流道表面压力对比图。图中显示：无论是当傅汝德数Fr=0.294时还是Fr=0.485时，喷水推进器流道的表面压力分布都不均，其进水口与下壁面交界处压力最大，速度也最低。而在下壁面拐点处，压力最低，速度最大，所以此处容易产生漩涡或者回流。

对比不同航速下推进器表面压力的分布，发现压力差会随航速的变大而增大。对比同一航速下推进器表面压力的分布，发现随着流道倾角的增大，下壁面拐点处的压力值逐渐减小，而进水口与下壁面交界处的压力则随之变大，故其产生漩涡或者回流的可能性也就越大，不利于船舶的阻力性能。

3.3 船体阻力值对比分析

表4所示为船舶在不同工况下的总阻力以及各阻力成分值，图11所示为阻力以及阻力的增加情况。

从图中可以看出：

1）安装喷水推进器流道之后，船舶的总阻力值增大了。当船舶航速较低时，喷水推进船舶的阻力增值不大，当傅汝德数Fr=0.103～0.294时，阻力的增加值在4%～5%之间；当船舶高速行驶、傅汝德数Fr=0.485时，和裸船体相比，喷水推进船舶的阻力值增大了10%～12%。

2）对比安装不同流道倾角喷水推进器流道的船舶总阻力值发现：低速时，阻力值差别不大，但随着航速的提高，流道倾角为25°时的阻力值相对较小，即喷水推进器流道对船舶阻力的影响最小。安装喷水推进器流道之后的船体阻力值均发生了改变，并且具有相同的趋势。

3）安装喷水推进器流道之后，船体的剪切阻力变化不明显。随着航速的增加，船舶剪切阻力增值百分比变化不大，维持在0.5%～2%左右。这主要是由于进水流道的面积与船体表面面积相差较大，而在安装了喷水推进器流道之后，船舶湿表面积增大了0.9%左右。剪切阻力变化较压差阻力小。

4）喷水推进器流道的安装对船舶的压差阻力影响较大。当船舶航速较低时，压差阻力的增值相对不大，维持在10%左右；随着航速的增加，安装喷水推进器流道之后船舶的压差阻力值较裸船体增值较大，当Fr=0.485时，安装倾角为40°喷水推进器流道的船体阻力增加了25%。这主要是因为喷水推进器流道的安装会影响船舶尾部的流场，增大船舶首尾的压力差，进而使船体的压差阻力变大。

通过对比3种不同情况下的压差阻力，发现当流道倾角为25°时压差阻力值最小，这和总阻力的变化情况相同。

4 结论

本文应用STAR-CCM+软件对改进后的FA1型三体船进行数值模拟，对比安装不同进流角喷水推进器流道之后船舶尾部流场的变化，并通过对比船体流线以及流道压力分布的变化，阐述了阻力以及阻力成分变化的机理，得到以下结论：

1）STAR-CCM+可以实现对船舶阻力性能的预报，并逐步成为喷水推进船舶阻力性能预报的发展方向。通过裸船体阻力计算值与试验值的对比发现，当傅汝德数Fr=0.103～0.441时，两者的差值维持在5%左右，达到了很好的计算精度。

2）喷水推进器流道的安装会增加船舶阻力，其中主要是压差阻力增大。对比裸船体与安装喷水推进器流道之后船体的阻力值发现，当Fr= 0.485时，船体总阻力增加了11.1%，剪切阻力与压差阻力分别增加了1.5%和22%，说明阻力的变化主要是因为压差阻力增大而造成的。

3）对流道倾角的优化可以提高喷水推进船舶的阻力性能。在一定范围内，流道倾角的增加会增大船舶阻力，当Fr=0.485时，流道倾角为40°时的总阻力值比25°时增加了2.03%。

本文从附体的角度研究了喷水推进器流道对船舶阻力性能的影响，这种研究角度以及所得出的结论具有一定的参考价值。通过模拟喷水推进器真实的工作状况来研究流道的阻力情况，是另外一个研究角度，也是本文接下来工作的重点内容。希望通过对比两种研究角度的不同之处，得出更有价值的研究成果。

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Influence of waterjet duct on ship's resistance performance

QIAN Hao1，SONG Kewei2，GUO Chunyu2，GONG Jie2
1 Marine Design and Research Institute of China，Shanghai 200011，China
2 School of Shipbuilding Engineering,Harbin Engineering University，Harbin 150001，China

The waterjet duct can change the flow field of the stern,and it has a great influence on the resistance performance of the ship.The resistance performance of marine vehicles driven by waterjets is very different from that of conventional ships,so it is meaningful to study the changes to the resistance performance of the ship.We used the CFD software STAR-CCM+,treated the waterjet duct as the appendage and compared the change of the flow field in the stern after the installation of the waterjet duct at different angles.We described the change mechanism of the ship's resistance and resistance components by comparing the change in pressure distribution of the waterjet duct's surface and the flow field around the hull.The results show that STAR-CCM+can realize the prediction of ship resistance performance because the simulation results achieved perfect accuracy,and it is gradually becoming the development direction of the resistance performance prediction of marine vehicles driven by waterjets.The installation of the waterjet duct will increase the resistance of the ship,which is mainly due to the increase of pressure resistance.In addition,the resistance performance of a ship driven by waterjets can be improved by the optimization of the waterjet duct's angle.

waterjets；ship resistance；numerical simulation；duct

U661.31+1

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.003

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1615.032.html

钱浩，宋科委，郭春雨，等.喷水推进器流道对船舶阻力性能的影响［J］.中国舰船研究，2017，12（2）：22-29.

QIAN H，SONG K W，GUO C Y，et al.Influence of waterjet duct on ship's resistance performance［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：22-29.

2016-07-04 < class="emphasis_bold"> 网络出版时间：

时间：2017-3-13 16:15

国家自然科学基金资助项目（51209048，41176074，51409063）；工信部高技术船舶科研资助项目（G014613002）；哈尔滨工程大学青年骨干教师支持计划资助项目（HEUCFQ1408）

钱浩，男，1980年生，高级工程师。研究方向：舰船总体研究与设计。

E-mail：qianhao1125@126.com

宋科委（通信作者），男，1991年生，硕士生。研究方向：喷水推进器。