喷水推进装置降低船体阻力机理的仿真分析

胡彬彬，程 涛，程 哲，杜文国，韩海辉

（武汉船用机械有限责任公司技术中心，武汉 430084）

0 引 言

喷水推进装置作为一种新型船舶推进装置，通过推进泵喷出水流所产生的反作用力推动船舶前进，具有许多常规螺旋桨所不及的优点[1～3]。航速＞25kn时，喷水推进系统总推进效率可达60%以上；喷水推进装置叶轮在泵壳内工作，不易产生空化现象，激振力小，工作平稳、噪声低、抗空化能力强；喷水推进装置功率-航速曲线平坦，在船舶工况多变情况下能充分利用主机功率，适应变工况能力强、主机不易发生过载现象；装有喷水推进装置的船舶操纵无需改变主机转速，而依靠偏折推进泵喷射出高速水流实现船舶转向和倒航，操纵性和动力定位性能优异；喷水推进在安静型军用舰艇、动力定位要求高的舰船、高性能船舶、变负荷工作船、重负荷肥大型运输船及浅吃水船上具有明显的优势。

许多研究表明，船上装有喷水推进装置时，高速时会发生船体阻力下降的现象。不同学者对这种现象有不同解释：一部分学者[4]认为喷水推进装置工作时，进流管道从船底吸水，水流经喷泵加速后从喷口高速喷出，进入流道的水流改变了周围船体的流场，作用在进水流道上的力对船体产生力矩，并影响了船体航态。高速时，吸水口破坏船体周围表面的边界层，降低船体摩擦阻力，从而一定程度上降低船体阻力；另一部分学者[5,6]的研究则认为流体作用于进流管道所产生的垂向力抬升船艉是降低船体阻力的主要原因。

1 船体与喷水推进装置的水动力仿真

从ITTC推荐的试验及CFD的示意图[7]（见图1）可看出，船体与喷水推进系统相互作用主要区域包括自由表面，进流管道，喷水推进泵，喷嘴，收缩段，上游来流等。其中，水流进入推进泵前需经过进水流道引流，泵对船体产生影响区域体现在流道出口处，泵的旋转对流道进口几乎没有影响。ITTC在喷水推进船模自航试验泵模型选择上有两种方法：1) 采用缩比泵，直接测量作用于喷水推进器上的推力；2) 采用满足流量要求的任意泵．通过测量流量计算推力。数值计算也采用两种方法代替泵的作用。1) 通过数值模型代替泵的作用[8,9]，而激盘模型是代替泵作用的模型之一；2) 在CFD中采用流量边界条件代替泵作用：数值计算模型不包括真实泵，而是用泵进口面为流量出口边界条件来模拟泵抽吸水流作用。用泵出口面为流量进口边界条件来模拟喷射的射流，其中进出口流量相等[10]。国外采用激盘理论的方法使用较多，对推力事先进行预估；国内通常采用流量进出口边界法，这种方法更简便，实际上也是通过预估的推力计算流量，从而给定边界上流量的数值。在本文中，采用激盘模型对喷水推进与船体的相互作用进行仿真。

图1 ITTC动量流量定义

1.1 仿真计算域建模

喷水推进装置与船体相互作用计算域的建模过程包括：船体建模，喷水推进装置的进水流道建模，船体与进水流道组合后的建模（船体挖空），近似无限海域的建模，海域与挖空船体的组合（定义流体和固体域）。

1.2 计算方法及湍流模型

在计算喷水推进装置与船体的相互作用中，考虑兴波阻力对船体的影响，采用两相自由面法进行求解。湍流模型采用k-ωSST 模型。计算时为考虑船体的航行姿态，耦合船体运动方程迭代。采用激盘模型模拟计算喷水推进泵对进水流道的影响。

1.3 边界条件的设定

边界条件对海域和船体域分别设定，海域与大气不相交处采用无穷远速度边界，与大气相交处采用预设压力边界，自由面将海水与气体分为两个区域，船体甲板采用自由滑移壁面边界，其他船体域设为固定壁面边界。

2 实船仿真及结果分析

2.1 实船参数及喷推装置

用于实船仿真的船体为12.9m铝制测量快艇船，安装WDJ120型喷水推进产品。裸船在拖曳水池进行了船体阻力试验。船体主要参数见表1，三维船体见图2。

2.2 裸船CFD仿真及试验验证

裸船CFD仿真包括确定计算域、网格划分、计算方法及湍流模型、边界条件的确定[11]。图3给出计算域、网格处理结果。仿真结果与船模试验结果的对比见表2。从对比结果可知，在较低Fr数时，仿真结果与试验结果非常接近，当Fr数逐渐增加时，CFD结果相比船模结果小，误差增加。这是由于船体高速过程中喷溅阻力占据影响因素越来越大，喷溅阻力的仿真误差较大，引起船体阻力计算与试验结果差距增加，所以在Fr＞0.7时，需考虑仿真误差，修正仿真结果。

表1 12.9m铝制测量快艇的船型参数

图2 铝制测量快艇三维船体

图3 裸船计算域

表2 总阻力对比结果

2.3 船体-喷水推进相互作用的CFD仿真及结果分析

船体-喷水推进相互作用仿真包含计算域确定、网格划分、计算方法、湍流模型、激盘模型、边界条件的确定。图4给出了计算域和网格的处理结果。

图4 船体与喷水推进作用的CFD计算域及网格

表3给出了裸船的船体阻力与喷水推进-船体的船体阻力的仿真结果的对比。从表3可知，随着Fr数的增加，喷水推进-船体时的船体阻力相比裸船的阻力会有所下降。

表3 船体阻力对比结果

因为船体阻力由摩擦阻力和剩余阻力组成，为进一步分析船体阻力各组分的变化，表4给出了裸船与喷水推进-船体两种情况下各阻力组分随Fr数的变化情况

表4 船体阻力各组分对比结果

从表4可知，安装有喷水推进装置的船体，不同雷诺数下的摩擦阻力与裸船的相比差异较小，随着Fr增加，剩余阻力相对裸船会有明显的降低，因此从仿真结果可知，造成“喷水推进+船体”条件下船体阻力下降的主要原因是由于剩余阻力的下降，对本船主要是兴波阻力有所降低。

为分析兴波阻力下降的原因，图5给出了不同Fr数时，裸船与船体+喷水推进的不同滑行姿态及湿水面积。

图5 裸船与船体+喷水推进的不同的滑行姿态及湿水面积

从纵倾角与湿水面积可知，安装喷水推进装置后，由于与船体相连的进水流道产生向上垂向力，在高速时，使船体纵倾角下降，虽然会伴随产生湿面积增加，增加摩擦阻力，但纵倾角的变化降低兴波阻力，总体阻力依然下降。

3 结 语

1) 通过数值仿真方法，分析船体与喷水推进装置间的相互作用。通过试验结果的对比，表明仿真方法的正确有效。

2) 仿真结果表明，装有喷水推进装置船体的摩擦阻力分量并未减小，阻力降低机理在于航行过程中，喷水推进装置所产生的垂向力改善了船体的纵倾角，降低了兴波阻力。并且随着航速的增加，纵倾改善的效果更明显。

3) 装有喷水推进装置的船舶在高速时由于纵倾角的改善，使船体阻力降低，更容易达到起滑状态。

4) 喷水推进装置产生垂向力的特点，使装有喷水推进装置船舶的LCG位置确定变得更为重要。LCG离船艉过远，喷水推进产生的垂直力会加剧船艏浸没效应，严重时甚至发生船艏翻转现象。

[1] 程 涛，赵治国，田 楠，等. 浅谈喷水推进装置的轴流泵与混流泵[J]. 海洋工程装备，2013 (8).

[2] 徐筱欣. 船舶动力装置[M]. 上海：上海交通大学出版社，2007.

[3] 赵连恩，韩端锋. 高性能船舶水动力原理与设计[M]. 哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2007.

[4] J.Carlton. Marine Propellers and Propulsion [M]. Elsevier Ltd., 2007.

[5] VAN T. Waterjet-hull interaction [D]. Delft University of Technology, Delft, 1996.

[6] Keith A, Hamish C, Van T. Waterjet-hull Interaction： recent experimental results [J]. SNAME Transactions, 1994, 102：87-105.

[7] ITTC. Report of the specialist committee on validation of waterjet test procedure[C]. //Procedure of the 24thITTC Triennial [8].Meeting, Edinburgh, Scotland, UK, 2005.Proceedings of 24thITTC-Volume II ：( 471-508).

[8] Takanori Hino1, Kunihide Ohashi. Numerical Simulation of Flow around a Waterjet Propelled Ship[C]. //First International Symposium on Marine Propulsors smp’09, Trondheim, Norway, June 2009.

[9] Bong Rhee, Roderick Coleman. Computation of Viscous Flow for the Joint High Speed Sealift Ship with Axial-Flow Waterjets[C]. //First International Symposium on Marine Propulsors smp’09, Trondheim, Norway, June 2009.

[10] 孙存楼，王永生，徐文珊. 喷水推进船负推力减额机理研究[J]. 水动力学研究与进展，2011, 26 (2)： 177-185.

[11] 王志南，沈兴荣，范佘明. 基于CFD的实船阻力快速预估方法[J]. 船舶与海洋工程，2014 (3)： 24-28.