基于CFD技术的节能舵球节能效果数值预报

李学军，苗 飞，沈海龙

（1.中远船务工程集团有限公司，辽宁大连 116600；2.哈尔滨工程大学 水下机器人技术重点实验室，哈尔滨 150001）

0 引言

随着国际海事组织对船舶能耗和废物排放限制新标准的制定和实施，我国船舶制造与运输企业对船舶节能减排技术的需求也越来越迫切。通过安装导流鳍[1]、前置导管[2]、补偿导管[3-5]、桨前整流鳍[6-9]舵球、舵附推力鳍等节能装置来改善桨盘面处的伴流分布，对于螺旋桨的减振降噪、螺旋桨推进效率的提高是一种有效的措施。舵球是一种简易、实用、节能效果显著的尾部节能附体，安装在正对螺旋桨毂的舵上，其头部呈半球形。它填充了螺旋桨毂帽后的低压区空间，对螺旋桨后的水流有良好的整流作用，从而减少了紊流涡流引起的能量损失。

文章采用CFD技术对桨后舵球的水动力性能进行了研究分析，借助CFD商业软件FLUENT，选用大涡模拟（LES），通过求解三维粘性不可压缩雷诺平均纳维-斯托克斯方程（RANS），对AU5-593桨进行数值模拟，研究了桨舵干扰，并且预报了螺旋桨-舵-舵球系统的水动力性能，考察桨后舵对螺旋桨性能的影响及舵球的节能效果，通过改变舵球直径与螺旋桨直径的比值，考察了舵球尺寸的变化对螺旋桨效率的影响。

1 数值计算过程

1.1 研究对象的几何模型

螺旋桨模型型号为AU5-593桨，其参数如表1所示。舵采用对称 NACA66-018剖面舵，舵高0.306m，展弦比为1.04。桨毂与舵球前端的距离为0.06m，舵球直径与螺旋桨直径之比为0.216。螺旋桨、舵、舵球的几何外形如图1和图2所示。

表1 螺旋桨的参数

图1 螺旋桨的几何外形

图2 螺旋桨-舵-舵球模型

在生成几何模型时，首先使用Fortran语言编写的面元法程序计算出螺旋桨表面的型值点，然后利用GAMBIT软件建模，使用高阶NURBS曲线采用插值的方式生成光顺的桨叶和桨毂表面控制曲线，再以这些控制曲线为基础，由高阶NURBS曲面生成光顺的三维螺旋桨桨叶和桨毂表面，最终由这些光顺的曲面建立螺旋桨几何模型，舵及舵球模型的建立也是采用同样的方法，将螺旋桨、舵、舵球模型组合起来，即可形成桨舵组合和螺旋桨-舵-舵球系统模型。在建模的过程中使用的是直角坐标系O-XYZ，X轴方向代表来流方向，它沿着螺旋桨的旋转轴指向下游；Y轴与螺旋桨的某一桨叶的页面参考线一致；Z轴服从右手定则。

1.2 计算域与网格的划分

整个流场以螺旋桨母线和旋转轴及其交点为基准，分别指向速度入口方向、压力出口方向以及螺旋桨直径方向延伸2倍、5倍和3倍的螺旋桨直径，以此为计算域。

使用CFD前处理软件GAMBIT划分流场网格，基于滑移网格技术，模拟螺旋桨旋转的特点，将流场分为完全静止的部分和绕桨轴旋转的部分。整个流场设置成圆柱形，外圆柱不动，模拟实际流场；内圆柱包含螺旋桨，与螺旋桨一起以给定的转速旋转，模拟螺旋桨的实际转动。文中在划分网格时采用了局部加密的方法，对于桨叶和桨毂部分进行加密，而对于出口段的网格，将其密度适当降低，以便控制总网格数。这样，对于单个螺旋桨来说，整个流场共生成180万个网格，其中外圆柱生成61万个网格，内圆柱生成119万个网格。

1.3 边界条件的设置

边界条件分为五个部分，分别是速度入口（inlet），压力出口（pressure out），界面（interface），壁面（wall）和远场边界条件。由于不考虑空泡，速度入口处给定来流速度，来流的参考压力设为0，同样压力出口的静压力也设置为0，壁面设为不可穿透的光滑壁面，远场边界条件可以设置为速度入口，且将速度和参考压力均设为0。

2 数值计算结果及分析

2.1 敞水桨计算结果及与试验值的比较

计算中，进速系数J分别取为0.3、0.4、0.5、0.6，螺旋桨转速为一定值，n=3000r/min，进速系数J的变化通过改变来流流速VA大小来实现。计算所得的敞水效率曲线及与试验值的比较如表2和图3所示，所有试验数据均来自文献[10]和文献[11]。

表2 敞水效率计算结果

图3 敞水效率曲线

比较计算结果与试验值，在进速系数 0.3~0.6的变化范围内，敞水效率的计算值与试验值的偏差分别为5.50%、6.69%、8.32%、10.99%，平均偏差7.88%，且随着进速系数的增加偏差值逐渐增大。总的来说，在计算螺旋桨的敞水性能时出现了较大的误差。究其原因，一方面是由于在实体建模的过程中所建立的模型与实际的桨模之间存在一定的差异；另一方面是由于近壁处理方法选取不当及边界条件的简化设置而造成的。但误差在可接受的范围之内，与试验值基本吻合，验证了计算方法的准确性和可靠性。

2.2 桨舵干扰的数值计算结果及分析

在螺旋桨模型的基础上加上舵的模型，建立桨舵组合，进行数值计算。计算域、网格划分、边界条件的设置及计算时的参数设置均与孤立螺旋桨相同。将螺旋桨敞水效率计算值与含舵推力效率计算值进行比较，结果如表3和图4所示。从表3和图4可以看出，舵的存在有助于改善螺旋桨的性能，在设计进速系数J=0.5处，螺旋桨的效率增加值为1.38%，这与试验结果表明舵可对螺旋桨的性能产生有利干扰的结论是一致的。

2.3 桨-舵-舵球组合的数值计算结果及分析

在桨舵组合的基础上加入舵球的模型，建立螺旋桨-舵-舵球系统，进行数值计算，计算域、网格划分、边界条件的设置及计算时的参数设置均与孤立螺旋桨相同。将螺旋桨含舵球附加推力效率计算值与含舵附加推力效率计算值进行比较，结果如表4和图5所示。从表4和图5中可以看出，加装了舵球之后，螺旋桨的效率有所增加。与含舵相比，在设计进速系数J=0.5处效率增加值为4.895%，且效率增加值随着进速系数的增加而增大。

2.4 舵球参数对螺旋桨效率的影响

舵球的直径对节能效果的影响显著，为得到合适的舵球直径，本文改变舵球直径设计参数并进行了一系列计算。螺旋桨模型仍采用上一算例中的模型 AU5-593。进速系数取为J=0.5，舵球直径在0.050m~0.077m（即舵球直径与螺旋桨直径之比为0.208~0.300）之间变化。计算结果如图6所示。图6显示，在此舵球直径变化范围内，螺旋桨效率改变较大。总体来说，舵球直径与螺旋桨直径之比在0.208~0.292之间变化时，舵球的节能效果良好，并且有逐渐增大的趋势。在舵球直径与螺旋桨直径之比为0.292处，其节能效果最好，达7.66%。

表3 螺旋桨效率与含舵附加推力效率的比较

表4 含舵球附加推力效率与含舵附加推力效率的比较

图4 螺旋桨效率与含舵推力效率比较

图5 含舵球附加推力效率与含舵附加推力效率的比较

图6 不同舵球直径下的节能效果

3 结论

借助CFD商业软件FLUENT作为求解器，使用GAMBIT划分网格，运用滑移网格技术，采用大涡模拟计算了孤立螺旋桨、桨舵组合、螺旋桨-舵-舵球系统的水动力性能，得到的计算结果与试验值较为吻合，初步验证了该计算方法的可靠性。计算结果表明，舵可对螺旋桨的性能产生有利的干扰，而舵球可起到明显的节能效果，并且舵球的节能效果与舵球尺寸之间存在一定的关系，这对舵球的实际运用提供了一定的理论参考。

[1] 沈海龙, 蔡昊鹏, 苏玉民. 桨前节能装置节能效果的理论预报方法[J]. 上海交通大学学报, 2010,44(10):1418-1422.

[2] 何德明, 李远林. 船舶前置导管流态的数值计算与分析[J]. 船舶工程, 2004, 26(4): 22-25.

[3] 钱文豪, 莫诚, 卫燕青, 等. 补偿导管推力的试验研究[J]. 船舶, 1997, 8(2): 7-11.

[4] 欧礼坚, 李洁雅, 王志勇, 等. 补偿导管技术应用于双尾鳍船型的研究[J]. 华南理工大学学报: 自然科学版, 2000, 28(6): 49-52.

[5] 钱文豪, 赵汉魂, 蔡跃进, 等. 船舶螺旋桨进流补偿导管[J]. 船舶工程, 1989, 11(3): 10-16.

[6] 杨佑宗, 王明君, 孟志杨, 等. 船艉整流鳍在实船上的应用与研究[J]. 中国造船, 2001, 42(2): 12-18.

[7] 刘启民, 朱兰, 王政耀, 等. 船尾桨前垂向整流鳍的减振机理研究及其应用[J]. 船舶工程, 2007, 29(6): 50-53.

[8] 丁举, 蔡荣泉, 钱文豪. 船尾整流鳍绕流的数值计算[J]. 船舶力学, 1999, 3(4): 25-33.

[9] HOSHINO, OSHIMA, FUJITA, et al. Development of high-performance stator fin by using advanced panel method[J]. Technical Review , 2004, 41(6): 1-4.

[10] 李鑫, 苏玉民, 蔡昊鹏. 舵球节能装置理论计算[C]//2008年船舶水动力学学术会议暨中国船舶学术界进入ITTC30周年纪念会论文集. 2008: 131-136.

[11] 张大有, 逢吉春, 王振府. 襟翼舵舵球技术研究[J].武汉交通科技大学学报, 1997, 21(6): 133-136.