加装节能导管的典型散货船自航CFD模拟与节能评估

2022-10-24吴乘胜金奕星邱耿耀

船舶 2022年5期

余昕吴乘胜金奕星邱耿耀

（中国船舶科学研究中心无锡 214082）

0 引言

在全球减排政策和法规日趋严格的背景下，越来越多的船舶通过加装各种形式的节能装置以达到降低能耗、减少碳排放的目的，其中桨前节能导管是肥大型船舶常用的一种水动力节能装置。

由于加装水动力节能装置是一笔不菲的开支，因而节能效果的准确预报评估非常重要。因为节能效果是“船体-节能装置-螺旋桨”相互之间复杂流动干扰的结果和体现，并且是个相对小量（通常较船舶航行总功率小2个量级左右），因而对其准确预报评估并非易事，模型试验是目前常用且较可靠的主要技术手段。

近年来，随着CFD技术的发展和应用普及，很多研究人员采用CFD方法开展节能效果的预报评估研究。由于水动力节能装置的形式多样，并且存在与船型及推进器之间的适配性问题，同时还因为“船体-节能装置-螺旋桨”相互之间复杂的流动干扰，对相关的CFD计算带来了极大的挑战。此外，针对不同的水动力节能装置形式和方案，CFD模拟处理的方法、方式也有差别。因此，基于CFD模拟的节能效果预报评估目前尚无一套成熟、统一的方法，仍需开展大量研究工作。

本文以国际标模（Japan bulk carrier, JBC）为研究对象，使用自主开发的CFD求解器，开展典型散货船加装节能导管的CFD计算与分析，并对节能效果进行预报评估。论文工作包括不同湍流模型、不同网格数量下的船模阻力和尾流场的计算以及不同湍流模型下的自航模拟；针对节能导管与螺旋桨距离非常近的特点，采用倾斜交界面结合相关算法，解决船模自航CFD模拟中网格交界面布置困难的问题。论文通过与模型试验结果的对比分析，验证了本文的CFD计算和预报评估方法合理可行。

1 研究对象与数值方法

1.1 研究对象简介

国际标模JBC是一艘艉部带有节能导管的好望角型散货船（实船并未建造），推进器为5叶MAU型螺旋桨。该船由日本国立海事研究所（national maritime research institute，NMRI）、横滨国立大学（Yokohama national university）和日本造船研究中心（ship building research centre of Japan，SRC）联合设计。船模分别在NMRI、SRC和大阪大学（Osaka university）进行了模型试验，包括阻力试验、自航试验和尾部流场粒子图像测速法（particle image velocimetry, PIV）测量，并在汉堡科技大学（technology university of Hamburg）开展了流场的激光多普勒测速仪（laser Doppler velocimetry, LDV）测量试验。

表1—3分别给出了船模、螺旋桨和导管的主尺度参数。

表1 JBC船模主参数

表2 螺旋桨模型主参数

表3 导管模型主参数

图1示意JBC船模几何外形（带螺旋桨和节能导管），图2和图3则分别显示螺旋桨和导管的几何外形。

图1 船模几何外形

图2 螺旋桨几何外形

图3 导管几何外形

该船模的一个重要特点是螺旋桨与其前方的节能导管距离非常近，螺旋桨根部几乎位于导管后缘所在平面，从而给船模自航CFD模拟中的网格交界面布置带来了很大的困难，对相关算法的稳定性和准确性也是相当大的挑战。

1.2 数值计算方法概述

本文的数值计算基于中国船舶科学研究中心自主研发的船舶水动力学CFD求解器NaViiX进行。目前，该求解器具备以下功能：

（1）能实现三维航行体单相、多相湍流绕流CFD模拟；

（2）支持结构化网格、非结构化网格、混合网格、任意多面体网格、交界面网格和滑移网格；

（3）支持惯性坐标系、非惯性坐标系和多参考坐标系求解；

（4）支持六自由度运动求解；

（5）支持MPI并行计算。

流体运动采用RANS方程（Reynolds averaged Navier-Stokes equations）描述，控制方程的具体形式详见文献[9]。CFD求解器采用有限体积法（finite volume method，FVM）离散控制方程，其中对流项采用二阶迎风差分格式，扩散项采用中心差分格式，压力速度耦合采用SIMPLE（semi-implicit method for pressure linked equations）算法解耦，代数方程组使用Gauss-Seidel迭代求解，并使用代数多重网格（multigrid）技术加速收敛。

对JBC加装导管节能效果的CFD计算分析，包括船模阻力、流场和带真实螺旋桨的自航计算。船模阻力CFD计算主要是考察不同湍流模型水动力计算结果的网格收敛性，对流场的分析则是为船模自航CFD模拟的湍流模型选取提供依据。

船模阻力和流场的CFD计算方法较为成熟，这里不再赘述。在船模自航CFD模拟中，计算域分为旋转域（螺旋桨及其附近区域）和平动域（除螺旋桨及其附近区域之外），2个域之间通过网格交界面传递流场信息。因此，交界面设置及相关算法是否合理准确，对于船模自航CFD模拟至关重要。

由于JBC船模的螺旋桨与其前方的节能导管距离非常近（如下页图4所示），螺旋桨根部几乎位于导管后缘所在平面，采用网格交界面垂直于螺旋桨轴线这种常规的设置方式几乎不可能。为此，在本文的CFD模拟中，螺旋桨与节能导管之间的网格交界面采用斜交于螺旋桨轴线的方式设置（如下页图5所示），以解决常规方式难以设置的问题。

图4 螺旋桨与节能导管相对位置

图5 网格交界面设置

倾斜交界面虽然解决了螺旋桨与节能导管之间的网格交界面设置问题，但是又给插值点构造方式带来了新的问题：如果仍沿用面法线方向为插值点构造方向，会使插值点延伸到不合适的位置，导致交界面传递的流场信息不是当地流场信息，如图6（a）所示。为此，在CFD模拟的网格交界面插值算法中，通过判断交界面法向矢量与流向的关系，控制交界面插值点外延方向，如图6（b）所示。

图6 倾斜交界面插值点外延示意图

在船模阻力CFD计算中，计算域空间使用切割单元方法结合贴体棱柱层网格处理物面边界层的笛卡尔混合网格离散。这种网格既能够在很大程度上保持笛卡尔网格的优势，又能够较好地处理湍流边界层流动。在船模自航CFD模拟中，平动域同样采用笛卡尔混合网格，而旋转域则采用四面体非结构化网格。

图7给出了自航CFD模拟中的船模尾部区域网格划分，包括了船尾局部、节能导管和螺旋桨的网格划分。

图7 船模尾部区域网格划分

由于JBC船模航速不高（= 0.142），并且本文研究的重点是导管的节能效果，出于提高计算效率的考虑，故在CFD计算中不考虑自由面兴波的影响，将静水面当作对称面处理。CFD模拟的计算域范围、边界条件设置和网格划分原则等细节，可参考文献[9]，这里不再赘述。

2 船模阻力计算与结果分析

2.1 计算工况简介

CFD计算针对船模设计吃水状态下的设计航速开展（其中吃水见表1）。船模速度U=1.179 m/s（=0.142，=7.46×10），对应实船航速 14.5 kn。

船舶水动力CFD模拟常用的湍流模型有标准、RNG、和 SST4 种，为分析不同湍流模型对计算结果的影响，各采用3套网格开展CFD计算并加以比对。系列网格生成过程中，网格划分的其他参数保持不变，而网格基础尺寸分别设置为L / 50、L / 70、L / 100，由此生成的JBC船模不带节能导管的网格单元数分别为645 k（粗网格）、1 230 k（中等网格）和2 495 k（细网格）；而JBC船模带节能导管的网格单元数因导管附近区域的网格细化而相应增加，分别为807 k（粗网格）、 1 463 k（中等网格）和2 950 k（细网格）。

2.2 计算结果与分析

表4和下页表5分别给出了不同湍流模型、不同网格下，JBC带与不带节能导管船模阻力CFD计算结果，包括摩擦阻力分量R、压差阻力分量R和总阻力R；该工况下船模阻力模型试验结果分别为R=35.002 N和R=35.118 N。

表4 JBC带节能导管船模阻力CFD计算结果

表5 JBC不带节能导管船模阻力CFD计算结果

从表中可以看出：

（1）对于粗、中、细3套网格，4种湍流模型船模总阻力计算结果与模型试验结果都相当接近，偏差都在2%以内。其中2种湍流模型计算结果稍微偏小，而另2种湍流模型计算结果略微偏大，4种湍流模型的计算效率并无明显差别。

（2）在相同湍流模型下，不同网格船模总阻力计算结果差别不大，其中细网格与中等网格计算结果之间的差别基本都在1%以内，说明在本文研究范围内，网格数量对船模总阻力计算结果影响不大。

（3）模型试验结果表明，带与不带节能导管，船模总阻力差别很小，分别为35.002 N和35.118 N，CFD计算也较好地反映了这一点。从各阻力分量来看，加装节能导管后，摩擦阻力略有增大而压差阻力总体上变化不大或略有减小。

综合来看，就该工况JBC带与不带节能导管船模阻力CFD计算而言，4种湍流模型的表现都相当好，不同网格下总阻力计算结果与模型试验结果的偏差基本上都在2%以内。

通过分析可见，对船模总阻力CFD计算而言，在不同网格下没有1种湍流模型相较其他湍流模型具有明显的优势。因此，以下将进一步开展尾流场计算结果分析，为船模自航CFD模拟的湍流模型选取提供依据。

3 尾流场计算结果分析

在船模自航的CFD计算中，螺旋桨前方流场模拟结果是否准确，对于推进性能计算结果有直接影响。为此，这里对/L=0.984 3截面处（位于节能导管与螺旋桨之间）的流场计算结果进行分析。结果分析中，速度场的无量纲形式如下：

式中：为船模前进速度，m/s；、和分别代表CFD计算所得速度场中、和方向的速度分量，m/s。

这里的船模尾流场CFD计算结果是由船模阻力计算时同步获得，包括不同网格、不同湍流模型下的三向速度等值线和横向速度矢量。据笔者对计算结果的分析，细网格模拟的流场总体上最接近模型试验结果。限于篇幅，文中仅给出不同湍流模型下细网格的流向速度（）等值线结果。

图8给出了JBC船模/L=0.984 3截面流向速度等值线模型试验结果，其中图8（a）为不带节能导管的结果，图8（b）为带节能导管的结果。图9和下页图10则分别给出了4种湍流模型下船模不带节能导管和带节能导管/L=0.984 3截面流向速度等值线CFD模拟结果。

图8 流向速度等值线模型试验结果

图9 流向速度等值线数值模拟结果-不带节能导管

图10 流向速度等值线数值模拟结果-带节能导管

从图中可以看出：

（1）对于不带节能导管的工况

2种湍流模型模拟结果较为接近，另2种湍流模型模拟结果也高度相似，但和2个系列湍流模型模拟结果之间有较为明显的差别；与模型试验结果相比，对于流速较高区域（≥0.4）CFD模拟结果与模型试验结果总体上符合较好，对于低速区（≤0.3）2种模型模拟出了/L=0.01、/L=-0.04的=0.3等值线，而2种模型没有模拟出，其中RNG模拟结果与模型试验最为接近，标准其次。

（2）对于带节能导管的工况

在导管投影以外区域，标准、RNG和SST3种湍流模型的模拟结果较接近，模型模拟的等值线区域较前三者偏于平缓；在导管投影以内区域，RNG和2种湍流模型模拟结果较接近，标准模型没有模拟出=0.4等值线的下半部分，而SST模拟的流速较高区域（≥0.4）略大，并在尾轴上方模拟出了=0.5等值线。与模型试验结果相比，除了=0等值线范围有所偏大，RNG湍流模型模拟结果与之高度一致。

综合来看，不同湍流模型的CFD模拟都能够较好地捕捉船模尾流场的主要特征，其中RNG表现最佳，标准其次。

4 船模自航CFD模拟与节能效果评估

根据对船模阻力和尾流场计算结果的分析，采用标准和RNG2种湍流模型，开展船模带螺旋桨模型自航的数值模拟。CFD模拟中，平动域网格基于船模阻力CFD计算中的细网格生成，而包含了螺旋桨模型的旋转域采用的四面体非结构化网格单元数为831 k。

船模自航CFD模拟的目的是获得船舶自航点以及自航点下的船舶阻力和螺旋桨推进性能，进而开展功率预报和节能效果评估。本文参考水面船舶自航模型试验方法，采用类似于模型试验的等车速变转速方法，获取船舶自航点，并评估节能效果。具体流程如下：

（1）粗略预估一自航点，在其前后适当范围各取一点和（应保证实际自航点在此范围之内，这里分别取为7.5 r/s和8.0 r/s），开展船舶自航的数值模拟；

（2）根据数值模拟结果，可以得到不同转速下的强制力（=-）、螺旋桨推力和桨扭矩；

（3）由=通过插值得到自航点，同时插值得到自航点下的螺旋桨推力和桨扭矩；

（4）根据公式=2π，计算自航点下船模带与不带节能导管时的功率，并通过二者的对比评估节能效果。

其中：为自航状态下的船模阻力；是为补偿模型与实船摩擦阻力系数之间差别而引进的自航修正值，称为强制力。对于JBC船模，参考模型试验结果，强制力取为=18.2 N。

表6给出了使用不同湍流模型JBC带与不带节能导管船模自航CFD模拟结果，包括不同转速下的螺旋桨推力、扭矩以及强制力。

表6 JBC船模自航CFD模拟结果

续表6

表7则给出了基于船模自航CFD模拟结果插值得到的自航点，以及自航点下的螺旋桨模型推力、扭矩和功率。表中同时给出了模型试验的结果。

表7 JBC船模带节能导管节能效果

由表6和表7可以看出：

（1）船模加装节能导管之后，在相同转速下，螺旋桨推力和扭矩都增大，但推力增大的幅度高于扭矩增大的幅度，使自航点螺旋桨转速下降、扭矩也下降，从而表现出节能效果；

（2）2种湍流模型CFD模拟都获得了较为明显的节能效果，且节能效果基本相同，分别为4.6%和4.5%，与模型试验结果5.8%相当接近。

由表7进一步分析可以发现：从CFD模拟得到的船舶自航点以及自航点下的螺旋桨推力、扭矩和功率计算结果看，RNG湍流模型的计算结果与模型试验结果更为接近，其中功率计算结果差别在2%左右；而标准的计算结果与模型试验结果差别稍大一些，其中功率计算结果差别在6%左右。这应是RNG湍流模型模拟的螺旋桨前方流场更为准确的原因所致。

综上所述，基于本节的船模自航CFD模拟方法和流程，能够较准确地预报评估加装节能导管后的节能效果，这也说明了本文采用倾斜交界面设置方法以及相关算法是合理可行的。