某拖轮200 kW 轮缘推进器水动力性能分析

2022-09-13左新平郑少雄周俊雄

广东造船 2022年4期

关键词：湍流推进器计算结果

左新平，郑少雄，周俊雄

（1. 中交四航局江门航通船业有限公司, 江门 529145；2. 广州海洋地质调查局, 广州 510075；3. 江门南洋船舶工程有限公司, 江门 529145）

1 前言

轮缘推进装置取消了传统的机械传动轴系，采用集成电机技术将轮缘电机与螺旋桨、水润滑轴承等部件进行一体化设计制造。其具有结构简单、布置方便、易于控制等特点，是现代船舶推进技术的发展热点。

目前国内外研究机构的研究主要集中在轮缘推进器水动力性能及其影响因素、基于流固耦合的桨叶强度校核、间隙和导管的影响因素以及电机/轴承性能等方面，尚缺少有效的水池试验验证手段，而基于实尺度螺旋桨的系柱拉力测试非常必要。

本文针对某拖轮7 叶200 kW 轮缘推进器，基于RANS 方法，采用滑移网格技术，建立轮缘推进器数值预报模型，开展不同进速系数下的水动力计算，获得其敞水特性；并将计算结果同系柱工况下的实桨测试结果进行对比，两者具备良好的吻合性；在算法验证的基础上，针对轮缘推进器的水动力性能和基于图谱设计的传统导管桨进行对比，结果表明，在常用进速下，采用轮缘推进方案，其敞水效率更高。

2 数值方法

2.1 控制方程

本文采用不可压缩粘性流来求解轮缘推进器的水动力性能，流动控制方程分别为连续性方程和动量性方程：

2.2 湍流模型

选用RNG k-ε 湍流模型，该湍流模型为二方程模型，工程应用较多，其湍流动能和耗散率方程分别为：

式中：G为由于平均速度梯度引起的湍动能产生；G为用于浮力影响引起的湍动能产生；Y为湍流耗散率的影响；μ为湍流粘性系数。

2.3 离散算法

对于控制方程的离散采用有限体积法：其中，对流项采用二阶迎风格式；扩散项采用中心差分格式；压力速度耦合采用 SIMPLEC 算法；收敛标准考虑10个标准迭代步长；推力和扭矩的变化量不超过0.3%。

3 计算对象

3.1 几何模型

推进器包含外围导流罩及内部螺旋桨，其中螺旋桨桨型参数为：直径1.0 m，7 叶，盘面比0.751，螺距比0.765。轮缘推进器三维模型如图1 所示。

图1 轮缘推进器三维模型

3.2 计算区域及边界条件

（1）计算区域

轮缘推进器CFD 模拟的计算域，整体采用圆柱体，以轮缘推进器内径D 为参考尺度：计算域入口距离桨中心为 4 D ，出口距离桨中心为 6 D ，圆柱体直径为 4 D。

在圆柱计算域内部又分为外域和内域，外域设置为静止域，用来计算来流和尾流；内域为导流罩内涵盖螺旋桨部分，设置为旋转域。

（2）边界条件

边界条件设置为：入口边界为速度入口，并给定入口处的速度分量；出口边界设置为质量出口；外域的表面设置为壁面；采用多重旋转坐标系模型和 RNG k-ε 湍流模型。

3.3 网格划分

外域采用结构化网格，内域的螺旋桨部分采用六面体的非结构网格，在具体网格划分上，开展了不同尺度的网格收敛性分析，体网格按照3 倍数量增加，同时考虑计算效率，确定最终的网格方案为：计算域体网格数为214.6 万个，推进装置的面网格数为25.3万个，边界层第一层网格尺寸为1.0×10。计算域及推进器面网格划分，如图2、图3 所示。

图2 轮缘推进器表面网格划分

图3 轮缘推进器外域网格划分

4 结果分析

4.1 敞水计算结果分析

本文针对实尺度螺旋桨开展计算，CFD 计算采用恒定的螺旋桨转速610 r/min。为了评估其水动力性能，求出其Kt、Kq 曲线，选取水流进速为 0 kn、5 kn 和10 kn，对应的进速系数J 为0、0.267、0.534，分别进行水动力计算，得到推进器推力和扭矩。将其换算为无量纲化的推力系数K与力矩系数K：

式中：为推力；为扭矩；为水密度；为转速；为螺旋桨直径。

表1 和图4 为无毂推进器的敞水性能计算结果（计算工况点从0 kn～10 kn）。

图4 轮缘推进器的敞水性能

表1 无毂推进器的敞水性能计算结果

4.2 不同桨型效率对比

为了对比轮缘推进器和传统的导管螺旋桨在相同的使用环境下水动力性能差异，按照和轮缘推进器相同的功率等级计算和设计了一款传统的导管桨，螺旋桨和导管的型式完全按照传统的图谱设计，最终选定螺旋桨型式为ka4-55 螺旋桨和19 A 导管，并且将图谱导管桨运用到舵桨结构中，计算了传统螺旋桨的敞水特性，对比数据如图8、9 所示。

为验证计算结果的合理性，开展轮缘推进装置实桨在系列功率下的系柱拉力测试，系柱测试最大功率为200 kW，计算结果对比如表2 所示。