中高速船自航因子数值预报方法

赖海清，常书平2，李明敏,方先进

(1.广州船舶及海洋工程设计研究院，广州 510250；2.中国人民解放军63983部队， 江苏 无锡 214035)

近年来，IMO推动了船舶能效设计指数标准的制定和实施，绿色造船和限制新船温室气体排放的措施逐渐引起了各界的关注[1]。通过船舶自航因子的预报，可以判断船-机-桨匹配和评估船舶性能，从而降低能耗。对于船-桨-舵全耦合的数值模拟研究一直以来都是船舶CFD领域的难题。目前应用最广泛的强制自航法[2]在预报船舶自航性能时需要进行若干不同螺旋桨转速的计算，最终要对多个转速下的结果进行插值才能得到自航点的螺旋桨推进性能，使得计算量增加，限制了该方法在船舶节能减排中的应用。本文以某400 t工作船为研究对象，探讨更高效的船舶自航因子预报方法。

1 船体全附体阻力预报

该船主要参数见表1。

表1 船型主要参数

利用流体计算软件对目标船在一定航速下的阻力进行数值计算。

400 t船采用双机、双桨、双舵、双尾鳍形式，对全附体进行建模，考虑到船体具有左右对称的特性，为节约计算时间，选择半船进行计算，以船舯作为镜射面。入口处采用速度入流，出口则为压力出口，船舯为对称边界条件，船体采用无滑移边界条件。在船艏及船艉几何变化大的地方进行网格加密，而在船壳附近受边界层影响的地方，则布有边界层网格，以正确描述船壳的边界层效应。除了在船体附近加密外，在空气与水的交界面(水线面)附近进行网格加密，并在水线面上以凯文波(Kelvin wave)的形状进行网格加密，以描述船在航行时所产生的波形。关于紊流模型的选择，依照对迭模型的比较结果，选择k-ω紊流模型。最终网格见图1，网格数为396 万。

图1 网格模型

将数值计算得到的船体阻力与试验阻力结果见表2。

表2 CFD阻力与试验阻力对比

计算结果表明，CFD计算结果普遍低于试验结果,CFD计算的总阻力和总阻力系数与模型试验吻合较好，相对偏差小于5%，满足工程精度要求。

2 螺旋桨水动力分析

2.1 螺旋桨快速建模及网格划分

螺旋桨的曲面造型相对普通的曲面造型复杂，将 PropCAD软件与犀牛(Rhino)软件相结合，实现螺旋桨的快速建模，见图2。

图2 螺旋桨建模

计算域网格可分为结构网格和非结构网格，结构网格亦称映射网格，其生成的节点和网格元素的数量较少，模拟结果也较为精确，但遇到复杂的几何外型时，需降低元素大小或以其他方式处理，建立网格的时间较长；非结构性网格则处理较复杂的几何外型，其缺点则为结点和网格数量增加，且模拟的结果也会比结构性网格差。采用混合型网格，在外部流场使用六面体网格，而螺旋桨则因复杂的几何图形，使用四面体网格，对螺旋桨桨叶采用局部加密处理，同时，为了更好地捕捉螺旋桨的所有外形特征，对其特征线均进行规整的特征线网格加密[4]。最终全计算域共270.5万个网格。

2.2 边界条件

1)入口边界。速度入口进场的部分，随着进速系数的不同给予相对的进场速度。

2)出口边界。 流场出口处设为压力出口，表压设置为0。

3)壁面边界。内部螺旋桨设为移动壁面，但不具滑动特性，且与旋转的流场进行相对地转动；外流场壁面设为对称 。

2.3 CFD计算分析

螺旋桨敞水效率曲线由以下4个参数构成。

将试验值与数值计算结果进行拟合，比较见图3。

图3 试验数据与模拟数据对比

由图3可见，kt、kq和ηo的计算结果与试验结果相当接近，仿真结果较好，误差约为3%。分析误差认为主要由物理模型与数字模型的偏差、试验与模拟工作条件不完全相同引起，但总体上两者基本一致。该CFD方法模拟螺旋桨的敞水性能满足实际工程设计和应用的要求。

3 船舶自航模拟及自航因子分析

建立船-桨-舵全耦合数值求解模型，见图4。

图4 自航计算完整模型

计算时将整个流域分成2个计算域，船体与舵均位于外边的长方体流域之中，螺旋桨位于内部的桨域之中，2个子域之间通过滑移网格来实现子域之间流场信息的交换。通过对螺旋桨表面、舵等区域局部网格加密，螺旋桨内部流域网格总数为137万，外部流域网格总数为460万，总网格数为597万。

利用CFD软件结合随体网格技术及自航宏文件可以实现船舶自航的数值模拟，螺旋桨转速不同船舶稳定自航速度也有所不同。基于上述情况，提出了一种自航点确定方法来得到目标航速下的实船自航点以及船舶实效自航性能。具体方法如下。

1)依照船舶目标航速及自身特点，预先给定船舶目标航速，预估该航速下的螺旋桨自航转速。

2)根据船型的特点，计算目标速度Vm下的船体摩擦阻力修正值SFC，将其作为强制力Z施加在船体上，从而只需要克服螺旋桨产生的推力(Rt(SP) -SFC)。

3)对船舶在该速度下的自航进行模拟。在计算过程中，船体承受螺旋桨产生推力和强制力Z以及船体阻力。软件根据其合力结果自动动态调节螺旋桨转速，直到船舶阻力Rt(SP)=螺旋桨推力T+强制力Z，达到最终平衡。由数值模拟得到船速V、螺旋桨推力T、船阻力Rt(SP)、螺旋桨转矩QPROP和船舶转矩QHULL。与试验结果进行比较，结果见图5。

图5 自航结果对比

由 CFD 计算得到18 kn航速时的自航推进因子见表3。

表3 自航因子分析

图6 自由液面波高

图7 螺旋桨及舵叶压力分布云图

其中，敞水曲线采用了2.3的计算结果，自航推进因子的求解方法采用的是 ITTC 推荐使用的等推力法。在所有 CFD 计算得到的系数与试验测量的比较当中，最大误差为相对旋转效率ηr，计算结果与实验值相比小5.71%，其他计算结果与实验值吻合较好。平均误差在 3.0%在左右。计算结果表明，采用该方法进行自航推进计算有效而且准确。航速为2.729 m/s时的自由液面波高及螺旋桨舵叶压力分布见图6、7。

4 结论

1)船体的阻力及螺旋桨敞水性能计算和水池试验结果较为吻合，误差在3%左右。

2)在自航因子预报上达到了较高的精度，其误差在±5%，满足工程精度的要求。

3)相比强制自航法，该方法不需要多次对螺旋桨转速进行计算后再去插值，而是在一次计算中，通过动态调整螺旋桨转速从而使船体达到受力平衡，得到其自航点。

4)本文所述自航数值预报方法既能保证计算精度和稳定性，又能缩短计算时间，是基于 CFD 的实船功率/航速预报的技术准备，同时也为今后更加深入研究改善推进性能、优化附体设计及改进船型工作提供技术手段。