新型桨后消涡助推叶轮敞水性能数值模拟

李冬琴，董自强，王丽铮

(1．江苏科技大学 船舶与海洋工程学院，江苏 镇江 212100；2．武汉理工大学 交通学院，武汉 430063)

传统的助推叶轮利用螺旋桨后的旋转水流进行自由旋转产生推力作用，回收了桨后旋转水流的能量损失，具有较好的节能效果[1-2]，但传统的助推叶轮主要的目的是回收旋转水流的能量，没有办法消除桨后毂涡扰流现象，此外也没有办法回收桨后大量毂涡造成的能量损失。为此，考虑在保留传统的助推叶轮节能效果的基础上，对传统助推叶轮根部结构进行新的设计，使新的根部整流结构可以扩散螺旋桨后的毂涡，消除毂涡的扰流作用；根部新结构中整流叶片可以利用桨毂旋转水流的能量进行旋转。为此，采用滑移网格方法对螺旋桨及螺旋桨-消涡助推叶轮组合系统进行敞水性能数值模拟，将螺旋桨的敞水性能数值与试验值进行比较，验证该方法的可靠性，将螺旋桨和消涡助推叶轮组合系统的数值模拟结果与螺旋桨单独数值模拟结果进行比较，分析新型消涡助推叶轮对螺旋桨敞水性能和桨后流场的影响，以及新型消涡助推叶轮在回收桨后旋转水流能量和消除毂涡方面的表现力。

1 消涡助推叶轮的工作原理

如图1所示，新型消涡助推叶轮位于螺旋桨后，在流场中进行自由旋转。

图1 消涡助推叶轮工作原理

新型桨后消涡助推叶轮的直径参照一般自由叶轮的直径为1.15～1.35倍螺旋桨的直径[3]，消涡助推叶轮分为内外半径两部分。内半径部分充当涡轮机的作用，吸收螺旋桨尾流能量，驱动外半径部分旋转。其中，消涡根部半径处除了起消涡的作用，同时也起到涡轮增压的效果。消涡助推叶轮进行自由旋转，其总转矩值为0，内外半径部分的转矩方向相反，所以内外半径的转矩矢量和为0；与此同时，其内外半径部分的推力方向相反，所以新型消涡助推叶轮具有节能效果时，内半径部分产生的推力矢量与外径部分推力矢量之和必须大于0[4]。

(1)

(2)

式中：Rv、rt和ro分别为消涡助推叶轮半径、内部半径，以及消涡根部半径。

2 数值处理方法

2.1 计算模型

提出如图2a)所示一个新型桨后消涡助推叶轮节能附体，该节能附体与传统助推叶轮最大的不同之处在于叶轮根部消涡结构的设计，从图2b)结构拆解模型说明其特征：由圆台、整流叶片、圆柱体、导管和水翼组成，桨后一部分水流从圆台表面流入，经过其中整流叶片的整流作用起到消涡的效果。此外整流叶片采用曲面设计，利用水流的运动特性使整流叶片两边产生压力差推动整个叶轮进行自由旋转，即新的消涡结构部分设计既能扩散毂涡又能起到涡轮增压作用推动外部水翼的旋转产生推力效果，这种功能是传统助推叶轮所没有的。

图2 螺旋桨和消涡助推叶轮模型

选用KP505螺旋桨，其直径Da为0.25 m；新型桨后消涡助推叶轮直径Db为螺旋桨直径的1.28倍，为0.32 m，消涡助推叶轮水翼有9个，整流叶片片数为6个，消涡助推叶轮轴向长度Lb为0.08 m,导管的长度Lh为0.05 m，导管的外表面直径Dh等于螺旋桨桨毂小端的直径为0.04 m。螺旋桨模型主要参数见表1。

表1 KP505螺旋桨模型主要参数

2.2 计算域网格划分及边界条件

如图3所示，选择圆柱体计算域，整个计算域是由内部两个旋转域和1个外部静止域组成[5]，其中外流场静止域的直径为8Da，长度为14Da，包裹螺旋桨的旋转域1直径为1.7Da，长度为0.5Da，包裹消涡助推叶轮的旋转域2直径为1.7Da，长度为0.7Da，目标计算螺旋桨距离计算域入口的距离为3Da，距离计算域出口的距离为11Da。

图3 计算域划分

根据螺旋桨旋转运动的特点，采用滑移网格方法[6]进行数值模拟计算，其特点是在2个旋转域和静止域彼此接触之间建立交界面进行数据信息传递；为了提高网格的质量，采用混合型网格[7]，内流场的2个旋转域采用四面体网格，外流场的静止域采用切割体网格，此外在螺旋桨和消涡助推叶轮表面进行网格加密见图4a)，并建立尾流场加密区域见图4b)。

图4 网格加密区域

如图5所示，计算域边界条件设置：静止域的入口和圆柱体表面设置为速度入口，出口设置为压力出口，2个内部旋转域和外部静止域的3个流体域彼此之间建立交界面，交界面设为对称平面。螺旋桨是强制旋转的，所以给定1个转速和旋转方向；而消涡助推叶轮是绕着螺旋桨桨轴方向进行自由旋转的，需要设置自由运动边界条件，通过设置DFBI旋转和平移来实现。

图5 格划分及边界条件

3 数值计算结果与分析

3.1 动力性能计算公式

根据敞水性能计算公式[8]，对螺旋桨和消涡助推叶轮的敞水性能进行数值处理，其推力系数、转矩系数和敞水效率表达如下。

1)加装消涡助推叶轮前螺旋桨敞水性能。

(3)

2)加装消涡助推叶轮后螺旋桨敞水性能。

(4)

3)消涡助推叶轮敞水性能。

(5)

4)螺旋桨和消涡助推叶轮组合系统敞水性能。

(6)

式中：J为进速系数；VA为来流速度；na为螺旋桨的转速，Da为螺旋桨的直径，ktc、kqc、ηc分别为螺旋桨和消涡助推叶轮组合系统的推力系数、转矩系数和推进效率。其中下标带有a、av和v的字符分别代表加装消涡助推叶轮前后螺旋桨以及消涡助推叶轮的推力系数、转矩系数和推进效率。

3.2 螺旋桨敞水数值验证分析

基于STAR-CCM+仿真软件，设定螺旋桨的转速为50 r/s，通过改变进口流速VA来改变进速系数J，进速系数J的范围选在0.1～0.8之间。计算获得螺旋桨的敞水曲线与哥德堡2000年会议所提供的试验结果进行对比，数值模拟(CFD)与试验(EFD)结果对比见图6。

图6 KP505螺旋桨敞水性能曲线对比(数值模拟与实验)

对比表2和图6结果可知：在进速系数较低的情况下，数值模拟和试验结果的误差范围均在5%以内，而在进速系数达到0.8时，推力系数和推进效率的误差分别达到8.593%和11.239%。造成误差的原因有很多种，分析认为，与网格的质量，选取的湍流模型和数值离散的方式有关，还有可能是该商业软件在高进速系数下无法更好地捕捉到螺旋桨瞬态的运动信息；总体看来，螺旋桨敞水的数值模拟结果在工程容许范围内，验证了计算方法预报螺旋桨敞水水动力性能可行。

3.3 组合系统敞水数值计算分析

对螺旋桨-消涡助推叶轮组合系统进行敞水数值模拟，计算出组合系统中螺旋桨和消涡助推叶轮的推力系数、转矩系数、推进效率等敞水性能数值，首先对比加装消涡助推叶轮前后螺旋桨的敞水性能数值进行比较，观察消涡助推叶轮对前置螺旋桨是否能产生有利的干扰提高螺旋桨的推进效率，数据对比见图7。

图7 加装消涡助推叶轮前后螺旋桨的敞水性能对比

分析组合系统中消涡助推叶轮的敞水性能数值，见表2，研究其在组合系统中起到的推力效果；最终的螺旋桨-消涡助推叶轮组合系统的敞水性能由组合系统中有利干扰后螺旋桨的敞水性能和消涡助推叶轮的敞水性能来决定，通过水动力计算公式计算得出组合系统的敞水性能数值，并将计算结果与单独螺旋桨敞水性能数值进行对比，见图8，验证新型消涡助推叶轮的节能效果。

表2 消涡助推叶轮的敞水性能参数

图8 螺旋桨-消涡助推叶轮组合系统与 单螺旋桨敞水性能对比

由图7可见，螺旋桨-消涡助推叶轮组合系统中的螺旋桨相比于加装前的螺旋桨敞水性能数值产生了变化，当进速系数从0.3起螺旋桨的推进效率都得到了提高，说明消涡助推叶轮在中高进速系数情况下对螺旋桨具有有利的干扰，可以提高螺旋桨的推进效率。

从表2中可以看出，组合系统中消涡助推叶轮自身也会产生推力作用，推力系数由进速系数的增加而减小，在较低进速系数下产生的推力较大，推进效率先增大后减小，当进速系数J为0.7和0.8时，组合系统中消涡助推叶轮的推力、推力系数和推进效率均为负值，证明在较高进速系数下还会产生反向阻力，其中转矩为0，这是消涡助推叶轮进行自由旋转的原因。

从图7中螺旋桨-消涡助推叶轮组合系统与单独螺旋桨的敞水性能数值对比结果可以看出，进速系数J在0.1～0.6范围内，KP505桨在加装消涡助推叶轮后螺旋桨-消涡助推叶轮组合系统的推力系数kt与敞水效率ηo均有一定程度的提高，而转矩系数kq变化不是太大，敞水效率的增量随着进速系数J的增加先增加再减小；当进速系数J高于0.6时，敞水效率无提升效果，反而产生阻碍作用，其中在进速系数J=0.4条件下，敞水效率提升9.113%，达到最佳的节能效果。

3.4 桨后消涡助推叶轮尾后流场分析

1)螺旋桨后毂涡的变化情况。在进速系数J=0.4条件下，对加装消涡助推叶轮前后螺旋桨尾流场变化情况进行剖析，如图9a)是加装前毂帽后方的流线分布情况，可以看到很强烈的旋转流线；而图9b)是加装后流线的分布情况，可以明显的看到流线被理顺了，不再做旋转运动，说明加装新型桨后消涡助推叶轮可以消除螺旋桨后的毂涡，突破了传统助推叶轮在回收桨后水流能量的局限性。

图9 KP505螺旋桨在加装消涡助推叶轮 前后的尾部流线对比

2)螺旋桨后尾流周向速度矢量变化情况。在进速系数J=0.4条件下，对加装消涡助推叶轮后桨盘面后方X=0.2Da横截面的速度矢量变化情况进行分析，重在证明优化后的消涡助推叶轮相较于传统助推叶轮作用效果的优越性。如图10a)所示，螺旋桨旋转方向为黑色箭头顺时针方向，加装后可以看出消涡助推叶轮外部水翼区之间矢量线方向和螺旋桨旋转方向相同，顺时针冲击消涡助推叶轮外部的水翼，被冲击的一面产生高压区，另一面则形成低压区，由此消涡助推叶轮与螺旋桨的旋转方向相同，内半径部分吸收旋转水流的能量驱动外半径处的水翼旋转产生推力作用，这也是传统助推叶轮的工作原理；再从图10b)中可以看到，改进后内部消涡结构部分速度矢量线，消涡结构内部矢量线沿顺时针旋转冲击着内部的整流叶片，使整流叶片受力旋转，且旋转方向与外部的水翼方向相同，对整体的助推叶轮产生助力效果，说明改进后的新型消涡助推叶轮比传统的助推叶轮多了一处涡轮增压部分，助推效果更好。

图10 KP505螺旋桨在加装消涡助推叶轮后的 桨盘面后方速度矢量图对比(X=0.2Da)

3)螺旋桨后尾流轴向速度变化情况。在进速系数J=0.4条件下，对加装消涡助推叶轮前后桨盘面后方X=0.32Da横截面的轴向速度变化情况进行分析。从图11a)中轴向速度的分布情况可以看出尾流的轴向流速很高；而图11b)中各部分尾流的轴向速度有所减慢，主要是一部分旋转水流能量被消涡助推叶轮利用进而减少了尾流能量损失。由此认为，新型桨后消涡助推叶轮可以回收螺旋桨后的旋转水流的能量，此外消涡部分的流速也在变慢，这个变化是由于消涡结构部分中的整流叶片利用了尾流的能量。

图11 KP505螺旋桨在加装消涡助推叶轮前后的 桨盘面后方轴向速度图对比(X=0.32Da)

4 结论

1)采用滑移网格技术对J在0.1～0.8范围内的螺旋桨进行敞水性能数值模拟计算分析是可行的，预报的精度符合工程设计的要求，数值模拟计算可以捕捉到螺旋桨复杂的流场信息，可作为新型桨后消涡助推叶轮节能效果分析的重要手段。

2)在螺旋桨设计转速50 r/s，进速系数J为0.4的情况下，螺旋桨-消涡助推叶轮组合系统敞水性能推进效率提高9.113%，且螺旋桨后毂涡得到了较好的扩散起到了整流作用，相比于传统的助推叶轮更具有优越性，具有较好的节能效果。

3)关于新型消涡助推叶轮敞水性能数值模拟计算结果可作为该附体设计的参考，但消涡助推叶轮直径、整流叶片片数、水翼的数量以及与前置螺旋桨的距离等结构参数对推进效率的影响未做深入的分析，在后续的工作中有待进一步研究。