某散货船整流导管节能机理数值分析

杜云龙，陈伟民，张青山，杨 帆，陈昆鹏

(上海船舶运输科学研究所 a.航运技术交通行业重点实验室；b.航运技术与安全国家重点实验室，上海 200135)

当前，船舶节能减排是航运界和造船界共同关注的热点。船舶水动力节能装置是实现船舶节能减排的有效手段之一，具有节能效果显著、造价低廉等优点，受到船舶行业的广泛关注。[1-2]目前，整流导管(Flow Straightening Duct,FSD)是新建船舶广泛采用的一种节能装置，具有结构简单、安装方便等优点，不仅能应用于新建船舶，而且可应用于现有的营运船舶的改造。经海上试航和长期使用，综合运载情况、航速和海况等因素，其节能效果约可达5%。据不完全统计，该节能装置在近30 a已在上千艘单桨船上使用。[2]

一直以来，FSD等节能附体的能效评估都是通过相应的模型试验实现的。[3]但是，随着船舶计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术的不断发展，采用CFD数值计算方法实现节能附体能效评估受到国内外学者的广泛关注,已成为该领域研究的热点。目前，有关CFD方法预报桨前节能附体能效的研究已取得一定的进展[4-6]，主要借助CFD方法实现船舶阻力、螺旋桨敞水和船舶自航性能数值分析[7-8]，结合相关规程实现船舶推进性能预报和节能附体能效评估。分析整流节能附体节能机理和尺度效应等，但目前CFD计算方法的计算精度和稳定性尚存在一些问题，无法完全取代模型试验，CFD计算方法本身需经由更多的探索研究和模型试验数据验证来改进和完善，对FSD的节能机理尚需进一步分析。因此，本文以一艘散货船为研究对象，研究FSD能效CFD计算方法，提升数值计算精度，分析整流导管对船舶阻力、流场和自航因数的影响及其节能机理，为FSD设计提供参考。

1 数值方法

1.1 控制方程

流场中的控制方程为不可压缩流体的连续性方程和动量方程，分别为

(1)

(2)

对于湍流模型的选取[8]，本文在计算中采用剪切应力输运(SSTk-w)模型，方程式为

(3)

(4)

式(3)和式(4)中：Gk和Gw为湍流的生成项；Yk和Yw为湍流耗散项；Γk和Γw为k和w的扩散系数；Dw为交叉项；Sk和Sw为用户自定义的源项；方程中具体各项表达式和模型参数情况见文献[9]。

1.2 计算域

在数值计算中，计算域采用长方形计算域，船模阻力数值计算考虑自由液面的影响，计算域选取情况见图1。计算域边界选取和边界条件设置情况如下：

1) 前端——船模艏部向前约2倍船长，边界条件设置为速度入口，给定来流速度。

2) 后端——船模艉部向后约3倍船长，边界条件设置为速度出口边界条件。

3) 两侧边界——船模舷侧方向约2倍船长，边界条件设置为对称边界。

4) 上边界——船模最大型深向上约1倍船长，边界条件设置为可滑移壁面边界条件。

5) 下边界——船模底部向下约2倍船长，边界条件设置为可滑移壁面边界条件。

6) 船模、舵和节能附体，边界条件设置为壁面边界条件，满足壁面无滑移假定。

图1 船模阻力计算域情况示意

对船模进行自航数值计算，同时为节省计算时间，将研究重点放在前置导管节能效果数值研究上，在船模自航数值模拟中不考虑自由表面的影响，即采用叠模法来求解。在进行自航计算时，计算域同样采用长方形计算域，计算域选取情况见图2。计算域尺度和边界条件设置情况如下：

图2 船模自航计算域情况示意

(1) 计算域前端、后端、两侧边界、下边界尺寸和边界条件与阻力数值计算时相同。

(2) 上边界设定在船体设计吃水处，设置为对称边界条件。

(3) 自航计算考虑螺旋桨真实几何模型，螺旋桨叶表面设置为壁面条件，满足壁面无滑移假定。

(4) 划分包围螺旋桨的圆柱形区域，圆柱直径为1.15倍螺旋桨直径，在自航计算中绕螺旋桨轴作旋转运动，旋转区域与外部流场区域采用交接面方法进行数据传递。

1.3 网格划分情况

本文采用的网格形式为混合网格，针对船体、螺旋桨和节能附体等关键流场区域进行网格加密处理，计算域内大部分区域采用结构比较规则的六面体网格，在船体艏艉、节能附体几何形状复杂的区域和较密网格与较粗网格之间的过渡区域，采用多面体网格进行网格过渡。为保证壁面附近的网格质量，在船、桨、舵和节能附体表面划分较精细的边界层网格。

船模阻力数值计算中考虑自由液面的影响，对自由面附近区域进行网格加密处理，计算域内网格总数约为200万个。网格划分情况见图3。

图3 船模阻力数值计算网格划分情况

船模自航数值计算不考虑自由液面的影响，去掉自由液面网格加密带，进一步对船体艉部螺旋桨附近区域进行加密处理，计算域内网格单元总数约为300万个。计算域及网格划分情况见图4。

1.4 计算参数设置

1) 湍流模式：数值计算中选取的湍流模型为SSTk-w模型。

2) 自由面处理方法：在船模阻力计算中，自由表面数值方法采用VOF(Volume Of Fluid)方法。

3) 压力与速度耦合方式：船模阻力与自航计算压力速度耦合方法采用SIMPLE方法。

4) 压力离散格式：采用PRESTO!(Pressure Staggering Option)方法离散，其他项采用二阶迎风格式离散。

5) 船模自航计算螺旋桨旋转运动数值方法采用滑移网格方法。

2 研究对象

本文选取的研究对象为一艘散货船，船体配备相应的桨模、舵模和整流导管，其三维几何模型见图5。本文数值计算均采用模型尺度，计算工况对应Fγ=0.145，对应模型速度为1.187 m/s。船模和螺旋桨模型基本参数见表1。

3 计算结果与分析

3.1 螺旋桨敞水数值计算结果

对18万吨级散货船配备的螺旋桨进行敞水性能数值计算，数值计算结果与模型试验结果的比较见表2。由表2可知：该计算方法能较好地模拟出的螺旋桨敞水性能，与模型试验结果相比，推力系数

表1 船模和桨模主尺度情况

表2 螺旋桨敞水性能数值计算结果

误差基本在4%以内，扭矩系数吻合度较好，在设计点附近(J在0.4～0.5)偏差在1%以内，敞水效率偏差基本上都在4%以内。

3.2 整流导管对船体阻力影响分析

3.2.1船模阻力计算结果

船模阻力数值模拟用于获得船模静水阻力性能，是船模快速性预报的重要组成部分。本文分别对船模光体和加装整流导管情况进行阻力数值计算，计算中船体装配舵几何模型，以考虑舵对船体阻力的影响。计算结果与模型试验结果对比见表3。由表3可知：数值计算结果与模型试验结果吻合度较好，阻力值偏差均在1.7%以内。船舶加装附体之后模型阻力略有增加，但增加量很小，仅占总阻力的0.2%。

表3 叠模法计算得到模型阻力

3.2.2船模兴波阻力分析

采用叠模法对船舶无导管情况进行阻力数值计算，假定计算得到的阻力值与带有自由表面下阻力计算结果的差值为船模的兴波阻力。计算分析结果见表4，采用叠模方法计算得到的阻力值为28.125 N，考虑自由表面后计算得到的总阻力值为30.165 N，两者之差为1.95 N，即认为该工况下船体模型的兴波阻力Rw=1.95 N。

表4 船舶兴波阻力分析

4 船模自航数值计算

4.1 自航计算方法

在自航数值计算中，参考船模自航模型试验方法，结合国际拖曳水池会议(International Towing Tank Conference,ITTC)推荐的船模自航模型试验和换算方法，采用强迫自航方法开展船模自航计算分析，具体计算和分析流程[8-10]如下：

1) 定义速度入口来流速度为船模速度vm并保持不变，变换3个螺旋桨转速n，得到不同螺旋桨转速下的桨推力T、扭矩Q和螺旋桨抽吸作用下船模阻力值RTS。

2) 根据数值计算得到的不同螺旋桨转速n条件下推力T、扭矩Q和螺旋桨抽吸作用下的船模阻力RTS，建立Z-n、T-n和Q-n变化曲线，其中Z=RTS-T。

3) 对计算结果曲线进行插值分析得到实船自航点，即Z=FD时的螺旋桨转速n、螺旋桨推力T和转矩Q，其中FD为

(8)

式(8)中：ρ为淡水的密度;S为船模湿表面积;k为形状因数，本船在进行阻力分析时采用二因次方法，k值取1；ΔCf为粗糙度补贴系数。

4.2 自航计算结果分析

采用第4.1节中的自航计算分析方法对有节能附体和无节能附体条件下船模自航数值计算结果进行分析，绘制出推力T、扭矩Q和强制力Z随转速n的变化曲线，根据强制力插值得到自航点转速、推力和扭矩值，插值结果见表5，插值结果曲线见图6。

表5 有无附体时自航点CFD计算结果比较

a) 光体

由表5和图6可知:加装FSD之后，船模的自航点转速相比无导管时有所下降，这对船舶提高推进效率是有利的，数值计算与模型试验得到的变化规律是一致的。

4.3 节能效果分析

船/桨组合体的绕流计算是自航性能数值预报的基础，基于船/桨组合体的绕流计算得到的数据，按照ITTC推荐规程进行船模自航性能预报，得到船模的自航因数。[11]船舶在加装前置导管前后自航因数的变化情况见表6。由表6可知：该船加装的前置整流导管具有较明显的节能效果，数值计算结果显示该船在加装导管之后推进效率提升了4.13%，模型试验结果显示推进效率提升了5.8%，数值分析得到的加装节能导管前后引起的推进效率成分变化规律与模型试验结果一致。同时，从该船同类型姊妹船实船试航结果反馈来看，该船加装前置导管之后，在相同功率下航速增加0.22 kn，功率下降4.4%。实船试航数据分析结果表明：前置导管的节能效果明显，根据数值计算结果预测出的节能效果在实船试航试验中仍然存在，且量值比较接近，表明该数值模拟方法在预测前置整流导管节能效果方面是有效的。

表6 自航因数和节能效果分析

5 流场分析

船舶加装FSD之后，会在一定程度上改变艉部伴流场，影响螺旋桨的进流条件，进而影响螺旋桨的推进效率、空泡激振力和实船功率性能预报等。下面主要对加装FSD前后的艉部流场进行对比分析，探索FSD对螺旋桨工作区域流场的影响，分析FSD的节能机理。

5.1 标称伴流场分析

5.1.1标称伴流场数值计算结果与模型试验结果比较

数值计算得到的船舶光体情况下的桨盘面轴向伴流分数分布云图与模型试验结果比较见图7，轴向伴流分数和切向伴流分数在不同半径处沿周向分布曲线数值计算结果与模型试验结果比较见图8。由图7可知：CFD计算结果与试验结果基本一致，高伴流分数的分布与旋涡位置能一一对应;在上方的复杂伴流区域，伴流分数的梯度变化形式较为接近。由图8可知：在0.4R、0.7R、0.9R和1.0R等半径处，伴流分布计算结果与模型试验结果在量值上相当接近。分析结果显示，本文采用的数值计算方法能很好地捕捉到螺旋桨盘面伴流分布的形态特征，CFD计算方法是可行的，且计算结果能满足艉流场定性和定量分析的需要。

a) 光体-CFD

图8 桨盘面标称伴流分数计算结果与试验结果比较

5.1.2FSD对标称伴流场影响分析

为分析前置导管节能机理，从微观流场方面分析船舶加装导管前后桨盘面标称伴流场的变化。数值计算得到的加装前置导管前后桨盘面标称伴流分数分布云图和沿周向分布曲线图分别见图9和图10。对比加装导管前后的伴流差别可看出，在加装前置导管之后，桨盘面上半区域(即前置导管作用区域)的水流速度有不同程度的下降，即伴流分数增大，盘面上半部伴流相比无导管时有所增加，尤其是0°～60°和300°～360°内伴流分数值变化最明显，且:由于导管左右后倾角度不同，盘面内伴流同样呈现左右舷不对称的特征；由于右侧导管相比左侧后倾角度更大，使得盘面对应右半部分相比左侧伴流增加区域更大。伴流分数增大这一现象可在模型试验的实效伴流试验结果中充分体现，船模加装前置导管前后的实效伴流模型试验结果见表7。由图9可知：桨盘面上方区域大部分区域的等值线变得相对平缓，轴向伴流的均匀性得到改善。

a) 光体-CFD

图10 桨盘面轴向伴流分数周向分布图

表7 加装导管前后船模实效伴流模型试验结果比较

加装FSD前后，桨盘面不同半径处轴向伴流分数面积平均值见表8。一般对于螺旋桨性能而言，0.7R附近的流场条件对螺旋桨效率的影响作用更关键。由表8可知:FSD对桨盘面内不同半径处的轴向伴流分数均有不同程度的增加，0.7R～0.9R处的增加量相对更大一些，说明该船导管设计方案更能影响到关键流场区域伴流，更能发挥导管的整流作用。

表8 桨盘面不同半径处轴向伴流分数平均值

船模加装FSD前后其桨盘面切向伴流分布情况分别见图11和图12。由图11和图12可知:桨盘面上方的旋涡明显减小，桨盘面的0°位置附近的向下速度分量得到明显遏制，且产生非对称的左旋水流起到预旋的作用。从整个桨盘面看，水流的横向诱导速度明显下降，前置导管减少尾流的旋转能量损失。

图11 桨盘面轴向切向分数周向分布图

图12 桨盘面轴向伴流分数周向分布图

对桨盘面内切向伴流进行面积积分，得到桨盘面内切向伴流面积平均值表9。由于船体是左右对称的，因此不带FSD时船体桨盘面切向速度积分为零。加装FSD之后，桨盘面的切向伴流积分结果为负数，即盘面内切向流动整体上与螺旋桨的旋转方向(顺时针方向)相反，根据螺旋桨理论，这种切向速度的存在有利于提高螺旋桨的推进效率，不仅是整流导管起到节能增效作用的一个重要原因，也是整流导管不对称设计对流场带来的有利影响作用。

表9 桨盘面内切向伴流平均值

5.2 实效伴流场分析

自航数值计算得到的桨盘面前方轴向伴流分数分布和切向伴流分数分布分别见图13和图14;对速度剖面内轴向伴流和切向伴流进行面积积分，结果见表10。由图13和图14所知:桨的存在使得桨盘面内伴流失去了左右对称性的特征，由于桨的抽吸作用，轴向伴流相比标称伴流场明显减小。FSD的存在从一定程度上增加了桨前盘面内的轴向伴流分数，同时改变了桨前切向速度的方向(呈现出与桨旋转方向相反的切向速度)，根据螺旋桨相关理论，这种变化会提高螺旋桨的推进效率。同时，对桨后速度剖面内伴流的积分结果显示，在加装FSD之后，桨后切向速度变小，说明旋转能量损失变小，FSD会减少轴向伴流损失和旋转能量损失。

a) 光体

a) 光体

表10 桨盘面内切向伴流平均值

自航数值计算得到的桨盘面前方横向速度矢量分布见图15。由图15可知，加装附体之后盘面内的涡旋流动有所减小，12点钟方向向下的一股水流强度减弱，2点钟方向横向的涡旋流动比无导管情况下的强度弱、范围小，加装整流导管之后流场的变化更有利于螺旋桨的稳定工作。

a) 无导管

6 结束语

本文以数值计算方法为研究手段，对船舶加装整流导管前后水动力性能进行数值计算，通过深入分析FSD对船舶阻力性能、艉部流场以及船后螺旋桨水动力特性等影响，分析导管的节能机理，得出以下主要结论：

1) 该研究采用的计算方法对于船模阻力、船模标称伴流场等数值预报精度，基本达到工程应用精度要求。

2) 研究对船舶在加装前置导管前后自航性能开展数值计算分析，采用ITTC推荐规程对自航计算结果进行分析，预报前置导管的节能效果。分析结果显示：本船加装FSD具有一定的节能效果，模型尺度下，数值计算与模型试验显示的推进效率提升分别为4.12%和5.80%。同时，本船同类型姊妹船实船试航结果显示节能效果为4.40%，可见采用的CFD评估方法具有一定的精度和可靠性，可作为节能附体能效数值评估的有效工具。

3) 数值计算结果分析显示:本文采用的FSD对船模阻力性能的影响较小，导管的存在改变了螺旋桨的进流场，导管周围的水流速度减慢，导致螺旋桨盘面处的伴流增大，同时使进流趋向均匀，从而提高螺旋桨推进效率。

4) 导管的存在对于船舶艉部舭涡和盘面内不利的横向流动具有抑制作用，桨盘面的0°位置附近的向下的速度分量得到明显遏制，并产生非对称的左旋水流，起到预旋作用，从整个桨盘面看，水流的横向诱导速度明显下降，前置导管降低尾流的旋转能量损失，这是船舶推进效率提升的原因之一。

5) 对船舶伴流场试验验证，仅开展标称伴流场模型试验，并针对船舶加装附体情况下的标称伴流场和船舶实效伴流场等开展试验分析，未来的研究会考虑对这2方面内容作进一步的研究。