毂帽鳍的节能机理分析

齐慧博，刘业宝，张克正，胡丽芬（.鲁东大学 交通学院，山东 烟台 6405；.中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京 00076）

毂帽鳍的节能机理分析

齐慧博1，刘业宝2，张克正1，胡丽芬1
（1.鲁东大学 交通学院，山东 烟台 264025；2.中国运载火箭技术研究院研究发展中心，北京 100076）

应用计算流体力学方法（CFD），结合 RNG 湍流模型和动参考系计算模型（MRF），对普通桨和桨+ 毂帽鳍的敞水水动力性能进行计算，通过对毂帽鳍及螺旋桨叶片的受力情况进行研究，结合普通桨和桨+毂帽鳍2种情况的桨后尾流场分析，结果表明，桨后毂帽鳍上产生的推力和扭矩有限，桨+毂帽鳍的节能机理主要是利用毂帽鳍削弱了毂涡，改善了桨后流场周向速度，提高了前桨的推力，从而提高了效率。

螺旋桨；毂帽鳍；节能机理；计算流体力学

0　引 言

船舶运输在我国交通运输中占有很大比例，消耗能源较多，因此，船舶节能技术的研究和应用对降低船舶能耗和减少环境污染具有重要意义。目前国内外对船用节能装置的研究较多，研究表明，螺旋桨毂帽鳍就是一种有效的节能装置。本文应用 CFD 方法对螺旋桨毂帽鳍的水动力性能进行预报，并与不加毂帽鳍的螺旋桨的水动力特性进行比较，分析了毂帽鳍的节能机理。

1　控制方程与湍流模型

1）控制方程

在相对坐标系中，敞水条件下的螺旋桨绕流呈现定常流动状态。RANS 方程是粘性流体运动学和动力学的普适性控制方程，所以本文以 RANS 方程为求解螺旋桨水动力性能计算的基本方程，其形式如下［1］：

式中：ui，uj为速度分量时均值（i，j=1，2，3）；P为压力时均值；ρ为流体密度；μ0为流体粘性系数；fi为单位质量的质量力为雷诺应力项。

2）湍流模型的选取

湍流出现在速度发生变动的地方，这种波动使得流体介质之间相互交换动量、能量和浓度变化，而且引起了数量的波动。本文在计算时应用了模型的改进方案模型。

2　计算模型的建立

本文所选取的母型桨为 B 4-70 型桨，普通桨与毂帽鳍的主要几何参数如表1和表2所示。

表1　B 4-70 螺旋桨的几何参数Tab.1 Dimensions of B4-70 Propeller

表2　毂帽鳍的几何参数Tab.2 Dimensions of PBCF

采用 Fortran 语言根据螺旋桨及毂帽鳍型值编程建立几何模型，与 Gambit 相结合建立螺旋桨及桨+毂帽鳍计算模型［3］，所建立的桨+毂帽鳍的模型如图1所示。

图1　毂帽鳍螺旋桨模型Fig.1　The model of the PBCF

选用的控制域为圆柱形控制域，控制域与计算对象的大小关系为：控制域直径不得小于计算对象直径的3 倍，长度不得小于计算对象长度的5 倍，由于计算所采用的螺旋桨的直径为 0.24m，长度为 0.17m，因此为了减少控制域壁面对螺旋桨产生影响，以使计算结果的精确度不受控制域影响，所选用的控制域直径定为 0.8m，长度定为 2.4m。同时，为对螺旋桨附近的网格进行加密，在螺旋桨外建立一个小的圆柱域，比螺旋桨稍大，在圆柱域内部可以进行网格细化［4］。建立的控制域如图2所示。

图2　螺旋桨毂帽鳍及整个流域三维图Fig.2　The three dimension chart of PBCF and full flow field

由于螺旋桨桨叶以及桨毂的几何表面比较复杂，不规则，采用结构化网格困难较大，因此本文在计算过程中采用非结构化网格。非结构化网格方法对数值求解流动问题非常有效，有限控制体采用的单元可以为任意形状，具有良好的贴体性及自适应性，并且网格生成比较容易［4］。桨+毂帽鳍表面的网格划分情况如图3所示。

在对螺旋桨进行敞水性能计算过程中，敞水螺旋桨的水动力性能，如推力系数、转矩系数在螺旋桨稳定后不随时间的变化而变化，在进速系数固定的情况下为一定值，因此，在这种定常情况下，本文选取动参考系模型（MRF）［5］。

图3　螺旋桨毂帽鳍表面网格划分Fig.3　Grid division of PBCF

敞水螺旋桨性能：

式中：Tp为螺旋桨的推力；Qp为螺旋桨的转矩；ρ为水的密度；n为螺旋桨的转速；D为螺旋桨的直径。

桨+毂帽鳍性能：

式中：Tp+ Tbcf为桨+毂帽鳍的推力；Qp+ Qbcf为桨 +毂帽鳍的转矩。

在设置边界条件时，入口的边界条件设为速度入口（VELOCITY-INLET），给定均匀来流的速度大小；出口的边界条件设为自由出口（OUTFLOW）。螺旋桨表面满足的边界条件必须为不可穿透，无滑移，因此，螺旋桨及大域的边界条件均设为壁面边界（WALL）［7］。

3　敞水螺旋桨和桨+毂帽鳍螺的受力比较

本文在计算时，选取的进速系数分别为 0.3，0.5，0.7，0.9，螺旋桨转速定为 300 r/min，通过改变来流速度来对进速系数进行调整。经过计算，得出了在不同的进速系数下普通螺旋桨和桨+毂帽鳍（带鳍桨）的水动力性能，根据公式（4）～式（8）计算出了推力系数，转矩系数和效率［6］。普通螺旋桨和桨+毂帽鳍性能如图4所示。由图4可以看出，桨+毂帽鳍的推力系数要大于敞水桨，而转矩系数比普通桨略有减少，使得桨+毂帽鳍的效率增加。

图4　桨+毂帽鳍与普通桨的水动力性能曲线Fig.4　The curves of propeller's performance

4　毂帽鳍的受力分析

进一步分析毂帽鳍性能，对毂帽鳍的水动力性能进行研究。毂帽鳍表面的受力分布如图5和图6所示。

由图5和图6可看出，毂帽鳍叶面受力较小，叶背受力较大，而鳍两侧的受力较大、较小位置主要集中在叶根的导边处。

图5　毂帽鳍表面受力分布图Fig.5　The pressure distribution of BCF

图6　单个鳍叶面和叶背的受力分布Fig.6　The pressure distribution of BCF's blade

经过计算，得出毂帽鳍在不同进速下沿x方向的受力曲线和绕x轴的转矩如图7所示。

图7　毂帽鳍水动力性能曲线Fig.7　The curves of BCF's performance

由图7可看出，毂帽鳍在x方向上的受力为阻力，绕x轴的转矩与桨叶转矩相反，对毂帽鳍叶片进行受力分析如图8所示。

图8　毂帽鳍受力分析图Fig.8　The mechanics analysis of BCF

由于毂帽鳍的叶背受力大于叶面，因此毂帽鳍的受力方向指向叶面，将力沿轴向和径向进行分解，轴向的分力产生阻力，而径向的分力产生力负弯矩。但毂帽鳍上的推力和扭矩值较小。

5　尾流场分析

分别对桨+毂帽鳍及普通桨后的流场进行监测，如图9和10所示。

图9　毂帽鳍后的流场分布Fig.9　The velocity after BCF

图9和图10 分别为有毂帽鳍情况下和没有毂帽鳍情况下桨毂后距螺旋桨中心 0.32 D处截面的轴向速度，径向速度和周向速度分布图。由2种情况下的相互对比可看出，安装毂帽鳍情况下桨毂后截面的轴向诱导速度和径向诱导速度与普通螺旋桨桨毂后的情况相差不大。而安装毂帽鳍对桨毂后的周向诱导速度影响很大，普通螺旋桨桨毂后的周向诱导速度在桨毂中心处的转速最大，即毂涡较大；在安装毂帽鳍情况下，桨毂中心的周向诱导速度明显减小，而在毂帽鳍半径位置处的周向诱导速度最大，这也是导致毂帽鳍叶背受力大于叶面的原因。

图10　普通桨毂后的流场分布Fig.10　The velocity after hull

6　结 语

本文应用 CFD 方法对桨+毂帽鳍和普通桨的水动力性能进行计算，分析毂帽鳍的节能机理。分析表明，桨后毂帽鳍上产生的推力和扭矩有限，桨+毂帽鳍的节能机理主要为改善了桨后流场周向速度，提高了前桨的推力，从而提高了效率。

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The energy saving mechanism analysis of propeller boss cap fins

QI Hui-bo1，LIU Ye-bao2，ZHANG Ke-zheng1，HU Li-fen1
（1.Lu dong University，Yantai 264025，China； 2.China Academy of Launch Vehicle Technology R&D Center，Beijing 100076，China）

A computational fluid dynamics（CFD）method，combined with RNG turbulence model and the dynamic reference frame model（MRF），was used to calculate the hydrodynamic performance of normal propeller and propeller boss cap fins in open water.Through researching the force distribution on the propeller and the fins，combined with the analyzing of the wake fields of normal propeller and propeller with boss cap fins，the results showed that the thrust and torque produced by the fins were very little，the energy saving mechanism of fins was to improve the circumferential velocity of the flow field after the propeller，and then improved the thrust of the main propeller，thereby raised the efficiency.

propeller；propeller boss cap fins；energy saving mechanism；CFD

U664.33

A

1672-7619（2016）07-0138-05

10.3404/j.issn.1672-7619.2016.07.031

2015-12- 14；

2016-01- 15

国家自然科学基金青年资金资助项目（51509124）

齐慧博（1985-），男，硕士，助教，主要从事船舶推进与节能方向研究。