船体与喷水推进装置相互作用的仿真分析

胡彬彬，程 涛，程 哲，杜文国，吴少龙，韩海辉，李 健

(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

船体与喷水推进装置相互作用的仿真分析

胡彬彬，程 涛，程 哲，杜文国，吴少龙，韩海辉，李 健

(武汉船用机械有限责任公司，武汉 430084)

研究船体与喷水推进装置的相互作用，探求喷水推进装置对船体自航因子的影响。通过提出船体与喷推相互作用的水动力仿真分析方法及仿真建模过程，从实船应用出发，进行了12.9 m铝制快速测量艇与武汉船用机械有限责任公司的喷水推进装置WDJ120的相互作用的实船仿真，结果表明，安装喷水推进装置的船体在自航状态下会产生较为明显的负的推力减额及正的伴流分数，从而有效地提高了船体效率，同时随着航速的增加，船体效率的提高更为明显。

喷水推进装置；仿真分析；自航因子；高速船；相互作用

船体-推进器-主机匹配研究的内涵主要是研究和调整船体、推进器、主机三者间的关系，使其推进特性满足系统设计要求[1]。但从具体表现看，主要反映了主机的工作范围与推进器的负载特性间的相互关系的调整，推进器的负载则与船体航速、船体与推进器的相互作用有关，通常将其分为主机-推进器、推进器-船体两个分系统进行研究。推进器包括桨与喷水推进系统，通过采用方式的不同又分为调距桨、定距桨、管道桨、吊舱、全回转、喷水推进器、泵喷，以及新式的吊舱式喷推等。其中船体-推进器的匹配主要集中在船体-推进器的相互作用方面。通常采用船体效率ηh来反映。

式中：t——推力减额分数；

w——伴流分数。

推力减额分数及伴流分数可通过自航试验获得的。随着现代数值仿真技术的发展，也有部分学者采用CFD方法来模拟自航试验[2-3]，用来反映推进器和船体间的相互作用。

对于不同的推进器，推力减额是不同的。当推进器为常规的螺旋桨时，螺旋桨在船后的抽吸作用增加了船艉的水流速度，从而降低船艉部区域压力，使船体压阻力增加，推力减额分数一般为正值，即(1-t)始终小于1。与螺旋桨船不同的是，喷水推进器工作时经流道从船底吸水，水流经泵加速后从喷口高速喷出。进入流道的水流改变船体流场，作用于流道的力及对船体产生的力矩影响船体航态。当高速时，吸水口破坏了船体表面的边界层，降低了船体的摩擦阻力，因此有可能导致推力减额t为负值，即(1-t)大于1，从而提高了船体的效率。也有学者研究认为流体作用于进水流道的力抬升了船艉并减小船体纵倾是喷水推进船推力减额为负值的主要原因。负推力减额分数是喷水推进器制造商及船舶设计者所追求的，意味着船体-喷水推进适当组合可减小船体阻力，提高推进效率。相关研究[4-5]表明，齐平式进口喷水推进船推力减额分数可在-6%～20%之间变动。

喷水推进器与船体的相互作用主要依靠自航试验确定。第21届ITTC非常规推进委员会推荐了喷水推进船模自航试验规程，第22届至24届委员会不断完善喷水推进自航试验技术。国内喷水推进研究起步较晚，目前尚没有喷水推进台架试验平台，也无喷水推进船模自航试验统一标准与规范，所以国内大多喷水推进船的快速性计算还依靠国外资料。

1 船体与喷水推进装置相互作用

船体与喷水推进装置的相互作用是在推进效率计算中引进船体效率的原因。推进器与船体的相互作用集中在推力减额及船体伴流效应。对于喷水推进装置，目前自航试验无法定型，且ITTC推荐采用CFD方法来进行研究，所以本文采用计算流体力学技术进行喷水推进与船体相互作用数值仿真。

1．1 建模方法

见图1，从图1ITTC推荐的试验及CFD的测试范围可看出，船体与喷水推进系统的相互作用的主要区域有：自由表面、进流喉管、喷水推进泵、喷嘴、收缩段、上游来流捕捉面积等。其中，水流进入推进泵前需经过进水流道的引流，泵对船体能够产生的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。且船模自航试验主要研究喷水推进与船体的相互作用，而非泵的水力性能。与喷水推进推力计算方法类似，ITTC在有关喷水推进船模自航试验泵模型的选择上也有两种方法[6]：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，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。国外采用激盘理论的方法使用较多，对推力进行事先的预估；国内通常采用流量进出口边界方法，这种方法更为简单，从本质上也是通过预估的推力来对流量进行计算，从而给定边界上流量的数值。文中采用激盘模型替代泵以模拟喷水推进与船体相互作用。

图1 ITTC定义的测量位置

1.2 船体与喷水推进系统作用的建模理论

文中建立的船体与喷水推进系统的作用给予稳定直航的状态，即推力与船体阻力相互平衡的。对喷泵的描述采用“动量通量”计算，来评估喷泵的推力、动量及效率特性，将喷泵近似为一个存在压力差薄激盘。采用雷诺时均方法计算时，激盘模型用于模拟确定推力、转矩系数及进速系数的喷泵。当船体阻力与喷泵的推力达到平衡时，计算结束。计算此航速下的船体阻力，并与裸船的船体阻力对比，获取推力减额分数。

在动量定理计算过程中，喷水推进系统推力的净推力的表达式为

(1)

(2)

cm与航速、船体边界层厚度及进流面A1的形状有关，喷水推进器的进流面一般为半椭圆型，物理自航试验很难确定半椭圆的长轴与短轴，根据CFD计算结果确定进流面形状及面积则较容易。通过流道出口的来流方向确定进流面。

推力减额分数t可定义为

Tnet=R

式中：R——船体与喷推系统作用后的船体阻力；

Rhh——裸船阻力。

1.3 船体与喷水推进系统相互作用的建模步骤

船体与喷泵相互作用的建模方法主要包含以下步骤：①计算域建模；②计算域的计算方法及计算模型的设定；③计算域边界设定。

1.3.1 计算域的建模

建模过程主要步骤为船体的建模—喷推进水流道的建模—船体与喷推进水流道的组合(在船体中进行挖空)—海水域的建立—海水域与挖空船体的组合(确定流域和固体域)。

对于船体与喷推系统相互作用的计算域建模，当裸船体建模后，喷推系统的流道也需要建立模型，这一模型主要包含了喷推系统的进流管道，喷泵的轮缘及喷嘴部分。当此模型建模完成后，采用海水域与挖空船体的组合即最终确定船体与喷推相互作用的计算域模型。

建模完成后，进行网格划分，划分过程中主要对喷水推进的流道区域网格进行一定的加密。采用的计算域是全区域。

船模数值计算区域为长方体结构。整个计算域由两部分组成：一是靠近船体周围的小域：二是远离船体的大域即水域。水域的进口边界选在船艏的1倍船长处．水域的出口边界选在船艉下游3倍船长处。两边的边界距离船体中轴线1.5倍船长，上边界离中轴线为0.5倍船长，下边界离中轴线为1.5倍船长。

1.3.2 计算方法及计算模型

在喷水推进与船体的相互作用中考虑波系对船体的影响，采用两相自由面方法进行求解。湍流模型采用k-ωSST模型。

采用激盘模型时，设定喷水推进推力，计算中保证船体在航行方向上阻力与推力相同。

2 实船与喷水推进装置相互作用CFD仿真

2.1 实船模型及船模实验

所采用的实船为12.9 m铝制测量快艇。此船在武汉理工大学的拖曳水池进行船模阻力试验，船模阻力数据及相关参数见表1。

表1 12.9 m铝制测量快艇的船型参数

采用Pro/E进行船体三维造型，见图2。

图2 铝制测量快艇的船体三维

2.2 裸船及船体-喷推相互作用的CFD仿真

2.2.1 裸船CFD仿真

裸船CFD仿真包括计算域的确定、网格的划分、计算方法及湍流模型的确定、边界条件的确定。图3给出计算域、网格处理结果。

图3 裸船CFD计算网格

2.2.2 船体-喷推相互作用的CFD仿真

船体-喷推相互作用中，采用的喷水推进装置为武汉船用机械公司从澳大利亚DOEN公司引进的喷水推进装置WDJ100系列中的WDJ120。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、边界条件确定。计算域和网格处理结果见图4。

图4 船体与喷推作用CFD计算域及网格

2.3 裸船船体-喷推相互作用仿真结果

CFD仿真及船模试验结果对比见表2。

表2 总阻力对比结果

由表2可见，较低Fr时，仿真结果与试验结果非常接近，但Fr逐渐增加时，仿真结果比船模结果小，误差较大。这主要是由于船体高速过程中喷溅阻力占据的影响因素越来越大，而喷溅阻力采用CFD方法仿真误差较大，引起船体阻力计算结果与试验结果差距增加。

表3给出不同Fr数时裸船与喷推-船体间的阻力变化。

表3 船体阻力对比结果

由表3可见，就安装喷水推进装置的船体而言，推力减额是负值，即需要的推力比裸船阻力要小，且随着Fr数增加，推力减额分数减小。

不同Fr数时的伴流分数w见表4。

从表4可以看出，Fr数增加时，伴流分数增大。所以在高航速状态下，船体的推进效率会有所增加。

3 结论

1)对喷推装置与船体相互作用的研究表明，当高速船(Fr>0.5)采用喷推装置时，在高速状态下，相比传统螺旋桨具有负的推力减额分数，可有效提高推进效率。

表4 伴流分数计算结果

2)从船体效率看，在高速状态下，装有喷推装置的船体的效率通常会大于1，而装备传统螺旋桨的船体效率通常会小于1，所以，针对高速船，推荐采用喷水推进装置作为推进系统。

[1] 王永生,常广晖,丁江明.船-泵-机匹配方法研究[J].清华大学学报(自然科学版).2007,47(5):623-626.

[2] TAKANORI HINO1, KUNIHIDE OHASHI. Numerical simulation of flow around a waterjet propelled ship[C].∥First International Symposium on Marine Propulsors smp’09, Trondheim, Norway,2009：1137-1145.

[3] 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,2009(11):20-1128.

[4] VAN T.The effect of waterjet-hull interaction on thrust and propulsive efficiency[C].∥Proceedings of the International Conference on Fast Sea Transportation，FAST’91.Trondheim.Norway,1991:1149-1167.

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

[6] 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.

Numerical Simulation of Interaction between the Waterjet and Hull

HU Bin-bin, CHEN Tao, CHEN Zhe, DU Wen-guo, WU Sao-long, HAN Hai-hui, LI Jian

(Wuhan Marine Machinery Plant Co., Ltd, Wuhan 430084, China)

The interaction between the waterjet and hull is simulated numerically to study the influence of waterjet upon the self-propulsion factor of ship. The simulation method of the waterjet and hull is provided and the interaction simulation for the 12.9m high speed craft and the WDJ120 waterjet is carried out. The simulation results show that, the hull equipped with waterjet will acquire the negative thrust deduction factors and positive wake factor, consequently enhanced the hull efficiency, and the efficiency will be more obvious with the higher speed.

waterjet; numerical simulation; self-propulsion; high-speed craft; interaction

10.3963/j.issn.1671-7953.2015.01.015

2014-08-28

国家科技部项目(2013DF80550)

胡彬彬(1981-)男，博士，工程师

U661.31

A

1671-7953(2015)01-0060-04

修回日期：2014-10-13

研究方向:船舶推进系统技术研究

E-mail:wj_wmmp@126.com