相关设计参数对某前置预旋定子水动力性能的影响

杨 帆， 陈霞萍， 陈昌运

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)



相关设计参数对某前置预旋定子水动力性能的影响

杨 帆， 陈霞萍， 陈昌运

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

前置预旋定子是一种安装于螺旋桨前方的节能装置，由多个固定不动的叶片组成,能在桨前产生预旋流，改变螺旋桨附近伴流，提高船舶的推进性能。通过研究前置预旋定子的节能机理，设计出一种带有襟翼的6叶前置定子。前置定子的节能效果受到众多几何参数的影响，为获得较优的前置定子，以某散货船为例，利用数值模拟手段对影响其前置定子性能的3个重要参数(襟翼角度、襟翼宽度和定子直径)进行研究，找到了适合于该散货船伴流情况的最佳襟翼角度，且可通过增加襟翼宽度来提高节能效果；同时提出该前置定子的直径需大于螺旋桨直径，以提高节能效果。

节能装置； 前置定子； 前置定子优化； 计算流体动力学

0 引 言

各国间的贸易往来主要是通过航运实现的，2007年整个海运业的CO2排放量达到10.4亿t，占当年全球CO2排放总量的3.3%；2010年全球船舶CO2排放量约为12亿t，若不采取措施，则到2050年船舶CO2排放量将在此基础上增加1.5～2.5倍[1]。随着国际上相应法规出台，节能减排已成为船舶行业的共识。由于船舶水动力节能附体具有结构简单、成本低廉和安装方便的特点，因此通过安装水动力节能装置来达到节能减排目的的方法深受广大船舶所有人、船舶设计院所的欢迎。在船舶行业整体萎靡不振的境况下，节能装置对帮助船厂赢得订单具有重要作用。

前置定子是安装在螺旋桨前方的桨前节能附体，由一些固定不动的导叶组成。其主要通过若干导叶产生的预旋流动来改善伴流情况、减少螺旋桨尾流旋转能量的损失，从而提高船舶的推进效率，达到节能减排的目的。这里利用数值模拟手段对前置定子的节能效果进行数值模拟，并对影响前置定子性能的3个重要参数(襟翼角度、襟翼宽度和定子直径)进行研究。

1 数值方法

选用基于有限体积法的商业计算流体力学(Computational Fluid Dynamic，CFD)计算软件FLUENT来进行相关数值的模拟。控制方程为

(1)

(2)

由于SSTk-ω模型综合了k-ω模型在近壁区计算的优点和K-Epsilon模型在远场计算的优点，增加了横向耗散导数项，在湍流黏度定义中考虑了湍流剪切应力的输运过程，适用范围更广，可用于带逆压梯度的流动计算和翼型计算，因此选用SSTk-ω湍流模型来封闭控制方程。

采用的数值离散和求解方法借鉴了相关计算经验[2-6]；速度压力耦合选用 SIMPLE算法；压力离散项采用“PRESTO！”(Pressure Staggering Option)离散方法；其他项的离散采用二阶迎风差分格式。选用多重参考模型(Moving Reference Frame,MRF) 来模拟螺旋桨的旋转。用 interface 边界条件来实现船体区域与螺旋桨区域的数据传递。为使计算时能较准确地模拟边界层内的流体流动，提高计算精度，对艏艉进行适当的网格加密。

2 数值模拟概况

2.1 计算对象

表1 某散货船及其螺旋桨的主尺度

依据模型尺度对某散货船的自航进行数值模拟。表1为该散货船和其螺旋桨的主尺度；图1为该散货船及其螺旋桨的几何形状。研究的前置定子由6个叶片组成，其直径为螺旋桨直径的0.9倍。前置定子叶片的弦长沿其展长方向呈线性变化，叶根处的弦长为螺旋桨直径的0.15倍，叶梢处的弦长为螺旋桨直径的0.1倍。前置定子叶片的随边为襟翼结构，其预旋作用主要通过襟翼产生。前置定子的安装位置及几何形状见图2。

a)散货船几何形状b)螺旋桨几何形状

图1 某散货船及其螺旋桨几何形状

2.2 计算区域与网格划分

由于在计算船、桨耦合问题时其流场并不是关于中纵剖面对称的，因此必须进行全船全流域的计算。选取船体纵中剖面、0站和基线的交点为坐标原点，x轴从艉部指向艏部为正向，z轴垂直向上为正向。计算区域的选择对计算结果有一定的影响：计算域过小会导致阻塞效应产生，进而影响船体附近的速度；而计算域过大会增加计算时间。因此，考虑选取较为适中的计算域，其范围为从坐标原点分别向y轴正方向、z轴负方向延伸1倍船长的距离，分别向x轴正方向和负方向延伸2倍船长的距离。为能准确地捕捉关键流域的流场信息，在艏部、艉部及船体表面附近进行网格加密。计算域及相关网格见图3。

2.3 节能效果评估方法

数值评估前置定子节能效果的核心技术是对船模的自航试验进行数值模拟。实际进行自航试验时，船模在水池中运动必定要有兴波。因此，若要准确地进行船模自航试验，需对自由液面进行模拟。但是，考虑到带自由液面进行非定常计算时计算周期长，而采用CFD进行前置定子节能效果评估时只需比较加装前置定子前后推进效率的相对变化(前置定子具有一定的沉深，自由面对其节能效果的影响甚微)，因此采用叠模法进行船舶自航数值模拟，评估前置定子的节能效果是可行的。用CFD方法评估前置定子的节能效果主要通过比较设计航速下加装节能装置前后的推进效率实现。

3 节能效果评估

利用FLUENT软件对某散货船有无前置定子时的自航进行数值模拟，并根据国际拖曳水池会议(International Towing Tank Conference，ITTC) 推荐的规程对CFD计算数据进行自航分析。表2为该散货船有无前置定子时推进效率分析表。

从表2中可看出，数值评估的节能效果为3.1%。模型试验结果表明，该方案在模型状态下的节能效果约为6.4%。表3为船模自航试验结果。采用CFD评估方法得到的节能效果要低于模型试验结果。采用的数值方法在模拟船舶自航时与试验结果有一定的偏差，但趋势是正确的。总体而言，所采用的CFD评估方法在评估前置定子的节能效果方面具有一定的精度，可用于评估节能装置的节能效果。

4 相关参数对前置定子节能效果的影响

影响该前置定子节能效果的参数主要包括襟翼角度、襟翼面积、襟翼长度及导叶半径等。相关参数的定义见图4和图5。

4.1 襟翼角度

研究的前置定子是利用导叶随边的襟翼来产生预旋作用的。襟翼的角度对前置定子的节能效果有很大影响。襟翼角度大，则其对流体的预旋也大，但可能会产生阻力，带来自身能量的损失；襟翼角度小，则其对流场的影响也较弱。

这里用CFD数值方法评估襟翼角度为0°，20°，30°，40°,50°时前置定子的节能效果(见图6)。从图6中可看出：随着襟翼角度逐渐变大，前置定子的节能效果逐渐增加；当襟翼角度为30° 时，节能效果达到最大；之后，随着襟翼角度进一步增加，节能效果呈下降趋势。襟翼的角度与船体、螺旋桨之间存在最佳配合。

表2 CFD计算结果自航分析

表3 船舶自航点(试验)的推进效率

图4 导叶、襟翼的示意

图5 前置定子叶片的横剖面图

图6 襟翼角度对节能效果的影响

4.2 襟翼面积

襟翼面积的改变会影响到前置定子的预旋作用，进而影响节能效果。这里研究2种面积增加方法对前置定子节能效果的影响。图7为襟翼面积变化的不同方案。表4为不同方案襟翼的面积及变化情况，为方便比较，设定原方案的襟翼面积比和翼型弦长比均为1。原方案采用原型前置定子；方案一和方案二在原型前置定子的基础上保持翼型弦长不变，通过提高襟翼长度占总长度的比例来增加襟翼面积；方案三在原型前置定子的基础上保持形状不变，通过增加襟翼长度来增加襟翼面积。方案一的襟翼面积与方案三是一样的，只是增加面积的方法不同。

图7 襟翼面积变化的不同方案

参数原方案方案一方案二方案三襟翼面积比11．251．51．25翼型弦长比1111．26

图8为襟翼面积对前置定子节能效果的影响。与原方案相比，方案一和方案二的前置定子的节能效果并没有增加。可见，在原型的基础上保持翼型弦长不变，通过提高襟翼长度的比例来增加襟翼面积的方法并不能提高前置定子的节能效果。比较原方案和方案三的计算结果可知，前置定子的节能效果随襟翼面积的增加而增大。因此，在原方案的基础上保持形状不变，通过增加襟翼长度来增加襟翼面积的方法能提高前置定子的节能效果。

4.3 襟翼长度

从上述分析中可看出，通过增加襟翼长度来增加襟翼面积的方法能提高前置定子的节能效果，襟翼长度对该类型前置定子的节能效果有重要的影响。因此，对具有不同襟翼长度的前置定子的节能效果进行比较计算。图9为不同襟翼长度的方案，表5为不同方案的襟翼相对长度。

图8 襟翼面积对前置定子节能效果的影响

图9 不同襟翼长度的方案

参数原方案方案一方案二相度对襟翼长度11．261．47

图10为襟翼相对长度对节能效果的影响。通过比较可看出，虽然增加襟翼的长度有助于提高该型前置定子的节能效果，但襟翼的长度并不是越长越好。襟翼的长度存在着可使前置定子的节能效果最佳的最佳值,该船前置定子最佳襟翼长度约为原始方案的1.26倍。

4.4 导叶半径

表6 原型和3种不同导叶半径的方案

艉部越靠近桨轴的区域横向动能强度越大，前置定子对0.6R(R为螺旋桨的半径)半径区域以内的流体影响很大[6]。这里通过改变导叶的长度来研究导叶半径对前置定子节能效果的影响。表6为原型和3种不同导叶半径的方案。考虑到实际工程应用，最大导叶半径取螺旋桨半径值。

图10 襟翼相对长度对节能效果的影响

图11 不同导叶半径方案的节能效果

图11为不同导叶半径方案的节能效果。从图11可知：虽然原型前置定子对艉流场的影响主要体现在0.6R半径区域内，但当缩短前置定子的半径时，前置定子的节能效果下降较多；导叶的长度伸长时，前置定子的节能效果有所提高。因此，建议在设计该型前置定子时尽可能地增加导叶的长度，以提高其节能效果。

5 结 语

首先，利用CFD方法对某散货船前置定子的节能效果进行了数值模拟，并将计算结果与试验数据进行了比较分析，验证了数值模拟方法判断节能装置节能效果的可靠性。随后，利用数值模拟的方法对影响前置定子节能效果的主要参数(包括襟翼角度、襟翼面积、襟翼长度、导叶半径等)进行了分析，得到以下结论：

1) 针对所研究散货船的艉部伴流情况，前置定子的襟翼角度存在1个最佳值，30° 的角度较为合适，节能效果较高。

2) 对于襟翼面积而言，在翼型总长不变的情况下，通过增加襟翼长度来增加面积并不能提高节能效果。在保持主翼形状不变、翼型总长增加的前提下，增加襟翼面积可提高节能效果。

3) 襟翼长度并不是越长越好，对于所研究的散货船而言，襟翼长度与翼型弦长的最佳比例为1.26。

4) 导叶半径对节能效果的影响较大，在考虑工程应用的前提下，应尽可能地增加导叶半径，这样有利于提高前置定子的节能效果。

[1] 郝金凤,强兆新，石俊令，等.船舶设计节能减排技术策略[J].舰船科学技术，2012，(34)9：3-10.

[2] 黄家彬.基于CFD的船后伴流随桨径的变化研究[D].上海：上海船舶运输科学研究所，2010.

[3] 车霖源.基于CFD的拖式吊舱推进器尺度效应研究[D].上海：上海船舶运输科学研究所，2011.

[4] 杜云龙.船桨耦合数值计算研究[D].上海：上海船舶运输科学研究所，2012.

[5] 杨帆，陈昌运，陈霞萍.基于CFD的桨-毂帽鳍-舵性能研究[C]//第二十五届全国水动力学研讨会.第十二届全国水动力学学术会议文集，2013.

[6] 杨帆，陈霞萍，陈昌运.前置定子节能效果数值模拟[C]//第十三届全国水动力学学术会议.第二十六届全国水动力学研讨会文集，2014.

The Influence of Design Parameters of a Pre Swirl Stator on its Performance

YANG Fan， CHEN Xiaping， CHEN Changyun

(StateKeyLaboratoryofNavigationandSafetyTechnology,ShanghaiShip&ShippingResearchInstitute,Shanghai200135,China)

Pre-Swirl Stator (PSS) is a kind of Energy Saving Device (ESD) that attached to stern boss in front of a propeller. The stator consists of a number of still blades. It is designed to generate PSS flow into the propeller in order to modify ship’s wake and therefore, improve propulsion efficiency. A specific PSS is innovated, which consists of six stator blades with flaps. Its energy saving effect has been proved by model tests and full scale measurement. This paper focuses on optimizing the PSS for a large single screw bulk carrier by Computational Fluid Dynamic (CFD). Many parameters affect energy saving effectiveness of the PSS. To find an optimum configuration, a study is performed in viscous flow computation by varying three important parameters of the PSS, i.e. the angle of flap, the length of flap and the diameter of stator blades. Based on the results of the study, an optimum flap angle is decided, and further power gain is achieved by increasing the length of the flap properly. It is also suggested that the diameter of PSS should be somewhat longer than the diameter of propeller.

hydrodynamic optimization; ESD; PSS； CFD

2016-06-22

杨 帆(1988—)，男，浙江绍兴人，硕士，主要从事船舶快速性(阻力、螺旋桨敞水、自航、附体节能)数值计算及性能评估。

1674-5949(2016)03-0001-05

U661.31+3

A