涡旋流堵漏桨叶位置与堵漏效果关系机理

韩云东， 高占胜， 杨常青， 谢田华， 杜蓬杉

(海军大连舰艇学院 航海系， 辽宁 大连 116018)

涡旋流堵漏桨叶位置与堵漏效果关系机理

韩云东， 高占胜， 杨常青， 谢田华， 杜蓬杉

(海军大连舰艇学院 航海系， 辽宁 大连 116018)

为克服现有堵漏手段的不足，提出一种新技术方法——船舶涡旋流堵漏方法。根据物理试验的具体情况，在利用Gambit软件完成桨叶实体和计算域模型建模的基础上，通过Fluent软件完成刚性桨叶生成涡旋流的数值仿真，根据仿真得到的涡旋流场速度矢量和压强分布，对试验得出的桨叶工作位置对破口进水量的影响规律进行理论剖析，进而从运行机理上揭示桨叶位置与涡旋流形成效果的关系。

船舶;舰船工程；损害管制；计算流体动力学；堵漏；涡旋流；桨叶

船舶涡旋流堵漏技术是指通过专用设备在船舶破口外侧形成局部涡旋流场，使破口处的海水高速旋转，大幅减小海水的压力，明显降低(甚至是消除)破口进水速度，同时辅以传统的堵漏方式，从而使堵漏的实施难度得到明显降低，进而实现便捷、快速的堵漏，达到提高舰船堵漏效率的目的。[1-5]

金良安等[1]对船舶涡旋流堵漏的思想、基本原理及柔性桨叶和刚性桨叶生成的涡旋流对破口进水量的影响等进行初步研究；韩云东等[5]对刚性桨叶位置与涡旋流形成效果的关系进行试验，定量研究桨叶工作位置对破口进水量的影响规律，揭示桨叶位置对涡旋流堵漏效果的影响。文献[2]～文献[4]从试验数据分析的角度研究涡旋流堵漏方法，但缺少涡旋流运行机理方面的分析。本文针对上述研究成果，利用计算流体动力学(Computation Fluid Dynamics, CFD)技术对刚性桨叶生成的堵漏涡旋流场进行数值仿真，根据仿真结果进一步从理论层面对涡旋流形成位置和舰船堵漏效果的影响规律进行机理分析。

1 堵漏涡旋流的物理试验

1.1 试验装置

采用专用的试验装置(见图1)进行物理试验。将驱动桨叶旋转的电机的转速及刚性桨叶与破口在水平方向上的距离固定，改变桨叶与破口在垂直方向上的距离，即在破口附近不同高度上装置相同转速的桨叶，形成高速涡旋流场。在有涡旋流的情况下测量到达模拟的破损舱室内指定液位所用的时间。分析比较所用时间的变化，得到刚性桨叶工作位置与涡旋流堵漏效果之间的关系。

图1 试验装置示意

叶片可调式涡旋流生成器通过特定的桨叶在水中生成所需的涡旋流，由驱动电机、轴杆和刚性桨叶组成。刚性桨叶是在直径为1.5 cm，长度为8 cm的管轴上，沿管轴圆周方向均匀排列4片8 cm×3 cm的钢制叶片(见图2)。转动时依靠桨叶与水的相互作用生成涡旋流。

图2 刚性桨叶

1.2 试验方法

测定试验水池水深为53 cm，破口距水面高度17 cm，将桨叶浸深H设定为9 cm，依次调整为11 cm，13 cm，15 cm和17 cm。当H=13 cm时，桨叶中心高度与破口中心高度平齐。试验以“破舱进水时间”为指标，按照指定的试验方法，分别测量刚性桨叶入水深度为9～17 cm时在不同破口距离下的“破舱进水时间”值。

1.3 试验结果

首先测得静水下的进水时间T=40 s，然后分别测定刚性桨叶浸深H=9 cm，11 cm，13 cm，15 cm和17 cm时，在不同破口距离L值下的进水时间T值。每组试验重复进行3次，取其平均值，测量结果见表1。

由试验数据可知：当刚性桨叶与破口处在同一高度附近时，距离破口越近，生成的涡旋流对延长堵漏时间、降低破口进水量的效果越明显。

2 堵漏涡旋流的CFD仿真

表1 刚性桨叶不同位置时进水时间的测量值 s

CFD方法是以黏性流理论为基础，以数值计算方法为手段，通过数值仿真试验获取相应水动力的一种方法。该方法已成为模型试验的一种辅助手段，并正逐渐成为与模型试验同等重要的试验流体力学的研究方法。[6-8]

2.1 桨叶模型建立

根据“1.1”节中的试验模型尺寸，刚性桨叶是由4片8 cm×3 cm的钢片均匀地焊接在钢管上形成的，其结构见图3，其中：D为刚性桨叶的直径；di为桨毂内径；do为桨毂外径；T为桨叶径向长度；L为桨叶宽度；d为桨叶厚度。

a)侧视图b)俯视图

图3 刚性桨叶结构示意

刚性桨叶的参数：桨毂内径di=1 cm；桨毂外径do=2 cm；桨叶径向长度T=3 cm；桨叶宽度L=8 cm；桨叶厚度d=0.3 cm。对于刚性桨叶需在桨叶固定器上加装的叶片，也采用相同规格、厚度d=1.5 mm的白钢片制作。首先运用软件Gambit进行桨叶实体建模，包括中心桨轴和4个叶片；然后在桨叶上划分非结构网格，桨叶网格分布见图4。

2.2 计算域模型建立

图4 桨叶网格分布

为实现桨叶旋转过程的动态数值模拟，将整个流体计算域分为旋转动域和外部静域。在数值模拟过程中，旋转动域随桨叶一起运动，从而实现CFD计算的动边界模拟。在旋转动域和外部静域的交界处设置Interface边界，实现内外流域的流场数据传递和交换。同时，为保证计算边界对桨叶旋转没有影响，该计算沿x轴和y轴到桨叶的距离为5D(桨叶径向最大半径)，沿z轴到桨叶的距离为3h(桨叶轴向高度)，见图5。

图5 堵漏涡旋流计算域分区

分别在旋转动域和外部静域上划分三维非结构四面体网格。在桨叶附近采用0.001 m的网格尺寸进行近壁面网格划分，在此基础上以一定的比例逐渐向外进行网格尺度递增，从而在保证近壁面网格数量足够的前提下最大限度地减少计算域内总体网格的数目，提高数值计算效率。最终计算域共包含四面体非结构网格117万个，最差网格的扭曲度为0.807(满足三维数值计算要求)。计算域总体情况见图6。

2.3 涡旋流仿真

将建好的桨叶旋转模型导入到CFD数值求解软件Fluent中，进行数值计算。计算模型和相关参数的具体设置：

1) 利用1st-order implicit格式的Unsteady非定常数值计算模型。

2) 基于单元中心的Green-Gauss格式计算流场变量梯度。

图6 计算域总体情况

3) 建立基于k-ε的两方程湍流模型，使用Standard Wall Functions进行近壁面处理。

4) 设置桨叶和旋转动域以400 r/min的转速旋转，根据Moving Mesh模型处理移动边界问题，在动域和静域交界面处设置Interface边界条件，实现移动的交错网格之间的数值传递。

5) 将计算域上部边界设置为Pressure-Outlet压力出口边界条件，其他外边界设置为Symmetry对称边界条件。

6) 桨叶设置为wall壁面边界条件；流场压强和速度采用PISO的压强修正法计算，计算格式为PRESTO；其他计算均采用二阶计算格式。

通过仿真就能得到刚性桨叶生成船舶堵漏涡旋流场的速度矢量和压强分布情况。

3 仿真结果分析

针对得到的堵漏涡旋流的CFD仿真结果，从桨叶轴向中心位置剖面和桨叶垂向剖面，分别对仿真生成的涡旋流场的速度矢量和压强分布进行分析。

3.1 桨叶轴向中心位置剖面的涡旋流场分析

图7为桨叶轴向中心位置剖面的涡旋流场速度矢量分布。从图7中可看出，在桨叶旋转过程中，近壁面流体质点会随桨叶一起旋转，形成涡旋流。在叶轮区内部，流体质点速度随到桨叶中心轴的距离的增加而逐渐增大，并在桨叶边缘处取得最大值(见图7中靠近桨叶的区域)。此外，在主涡旋流区，流体质点同样作旋转运动，并随到桨叶边缘距离的增加而呈递减趋势。

图8为桨叶轴向中心位置剖面的涡旋流场压力分布。从图8中可看出，在桨叶旋转过程中，高速旋转的涡旋流生成器驱动水体旋转，形成叶轮区，在叶轮区流体的诱导下，主涡旋流区的流体形成接近于二维流动条件的平面自由涡。叶轮区的流体在径向速度的作用下被不断甩出叶轮区，从而使叶轮区轴向中心形成一个低压的坏境。近壁面流体质点会随桨叶一起旋转，形成涡旋流。在叶轮区和主涡旋流区，压强随到桨叶中心轴的距离的增加而逐渐增大，但压强梯度呈逐渐变小的趋势。

图7 桨叶轴向中心位置剖面的涡旋流场速度矢量分布

图8 桨叶轴向中心位置剖面的涡旋流场压力分布

3.2 桨叶垂向中心位置剖面的涡旋流场分析

图9为桨叶垂向剖面的涡旋流场速度矢量分布。从图9中可看出，桨叶产生的涡旋流分布在桨叶周围，整个水体在桨叶的驱动下发生剧烈的湍流运动，宏观上符合涡旋流的运动形态。在叶轮区，流体的速度矢量呈黄绿色，说明该区域的水体运动矢量最大；在主涡旋流区，靠近桨叶处流体的速度矢量呈绿色，说明该区域的水体运动矢量较大，而随着远离桨叶，速度矢量呈淡蓝色，即速度矢量逐渐减小；在上漩内涡区和下漩内涡区(涡旋流的上部和下部)，流体的速度矢量均呈蓝色，该区域是速度矢量最小的区域，说明下漩内涡区和上漩内涡区(即旋转桨叶的上下端)是涡旋流速度较小的区域，即在上下端部呈现三维效应，旋转速度较中心位置变低。

图9 桨叶垂向剖面的涡旋流场速度矢量分布

图10为桨叶垂向剖面的涡旋流场压力分布。从图10中可看出，桨叶产生的涡旋流由于重力的作用，上端涡旋流影响的范围比较广，涡旋流影响的范围自上向下逐渐减小，最下端涡旋流影响的范围最小。

图10 桨叶垂向剖面的涡旋流场压力分布

4 桨叶位置对堵漏效果影响的机理分析

针对物理试验得出的关系规律，结合上述涡旋流CFD数值仿真分析结果，对上述影响规律的运行机理进行分析。伯努利方程是理想流体稳定流动时的动力学基本规律[9]，其数学表达式为

p+1/2ρv2+ρgH=恒量

(1)

式(1)表明：理想流体在稳定流动时，在同一流管不同截面处，单位体积流体的动能、势能与该处压强之和都是相等的。[10]根据伯努利原理，破口处海水沿船舶外板水平切线方向的速度越大，其作用于破口的侧压力越小。因此，只要设法增大船舶破口处海水的速度，即可使其侧压力及破口进水速度减小，从而降低堵漏难度，延长堵漏时间。

由文献[2]中对舰船涡旋流堵漏效果的影响因素的分析可知，p=p0-ρω2R4/(2r2)。当桨叶半径R一定时，破口处的流场压强与破口至桨叶中心的距离r(即L)有关。r越小，p越小，即涡旋流堵漏的效果越好。此外，从CFD数值模拟的涡旋流速度矢量图、压强分布图及局部放大图(见图11)中可看出，破口到桨叶的距离越小，流体旋转速度越大，产生的向心力也就越大。

同时，破口到桨叶的距离越小，流场总压强越小，到桨叶中心的压强差越大，涡旋流堵漏的效果也就越明显。

5 结束语

针对物理试验中得出的桨叶位置与涡旋流形成效果之间关系的影响规律，利用CFD技术，在Fluent软件中按照物理试验装置的尺寸完成了涡旋流仿

图11 轴向中心位置剖面的涡旋流场速度矢量局部放大图

真，得到了桨叶轴向中心剖面的涡旋流场速度矢量和压强分布；结合伯努利方程，从理论层面对涡旋流形成位置与舰船堵漏效果的影响规律进行了机理分析，揭示了桨叶位置与涡旋流形成效果之间关系的影响规律的成因。研究成果可为船舶涡旋流堵漏方法的理论研究和装备研发提供必要的理论基础及数值依据。

[1] 金良安, 韩云东, 石侃, 等. 基于人工涡旋流的船舶堵漏新方法[J]. 中国航海, 2011, 34(2):22-26.

[2] 韩云东, 黄若波, 石侃, 等. 舰船堵漏技术现状与对策研究[J] . 海军大连舰艇学院学报, 2011, 34(2): 134-138.

[3] 韩云东，石侃，王涌. 舰船涡旋流堵漏方法的实验研究[J]. 舰船科学技术, 2011, 33(7):46-49.

[4] 韩云东, 金良安, 侯建军, 等. 船舶涡旋流堵漏桨叶位置与涡旋流形成效果的关系研究[J]. 实验流体力学, 2012,26(1):25-29.

[5] 韩云东，金良安，郭模灿. 刚性桨叶工作位置对涡旋流堵漏效果的影响[J]. 中国造船, 2011,52(2):139-145.

[6] 黄连忠, 林虹兆, 马冉祺, 等. 基于CFD的圆弧型风帆气动优化[J]. 中国航海, 2016, 39(2): 101-105.

[7] MOUSAVI S M, ZAMANKHAN P, JAFARI A. Computer Simulations of Sodium Formate Solution in a Mixing Tank [J]. Communications in Nonlinear Science and Numerical Simulation, 2008(13)：380-399.

[8] JAHODA M, MOSTEK M, KUKUKOVA A, et al. CFD Modeling of Liquid Homogenization in Stirred Tanks with One and Two Impellers Using Large Eddy Simulation [J]. Trans IChemE, Part A, Chemical Engineering Research and Design, 2007, 85(A5): 616-625.

[9] 童秉纲, 尹协远, 朱克勤. 涡运动理论[M]. 2版.合肥:中国科学技术大学出版社, 2009.

[10] JHON E F, JOSEPH B F. Fluid Mechanics with Eng-ineering Applications[M]. New York: McGraw-Hill Education, 2002.

MechanismofLeakStoppageBetweenBladePositionandEffectwithSpecialVorticalFlows

HANYundong，GAOZhansheng,YANGChangqing,XIETianhua,DUPengshan

(Department of Navigation, Dalian Naval Academy, Dalian 116018， China)

The leak stoppage method with special vortical flows is a new technological idea to fill the gaps of traditional leak stoppage methods for warships. The model of the rigid blade and the calculation domain based on physical tests with Gambit are constructed and the numerical simulation of the rigid blade produced vortex flow is conducted by Fluent. Based on the calculated vortex flow velocity vector and the pressure distribution, the relationship between the inflow at the break and the blade position are theoretically studied.

ship; naval engineering； damage control； CFD； leak stoppage； vortical flow； blade

2017-06-25

国防科研项目；2015年军内科学技术研究项目(2015-JDKYXM-DLJTXY-023)

韩云东(1977—)，男，山东昌邑人，副教授，博士，主要研究方向为船舶安全保障与防护、装备保障等。E-mail:gyro-han@163.com

1000-4653(2017)04-0024-04

U661.2+3

A