PCTC节能附体数值模拟研究

黄珍平， 高玉玲， 陈晓莹

(1. 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;2. 沪东中华造船(集团)有限公司， 上海 200129)

PCTC节能附体数值模拟研究

黄珍平1， 高玉玲1， 陈晓莹2

(1. 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;2. 沪东中华造船(集团)有限公司， 上海 200129)

为提高船舶的推进效率，采用节能附体是一种有效手段。基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)数值计算对一艘万车汽车运输船(Pure Car/Truck Carrier, PCTC)加装预旋定子后的阻力、伴流和推进进行分析。结果表明,数值计算与模型试验吻合度较好，定子能带来3%～4%的效率提高。此外，从桨叶剖面入流的角度分析定子影响螺旋桨推力扭矩的原因。

汽车运输船； 预旋定子； 节能附体； 数值模拟

0 引 言

提高螺旋桨的推进效率是船舶节能减排的主要方法之一，而加装节能附体(Energy Saving Device，ESD)是提高推进效率的有效手段。目前比较常见的节能附体有补偿导管、Mewis导管、前置定子和毂帽鳍等。当前已有不少针对节能附体的试验和数值研究[1-3]，通过在不同船型上进行针对性的设计，均可取得不错的节能效果。在螺旋桨附近安装节能装置，通常利用改善螺旋桨的进流、直接产生推力及回收螺旋桨尾流中的能量等方式可达到节能的效果，但节能附体带来具体的流场影响及其内在的节能机理[4]有待进一步研究和探讨。目前计算流体动力学 (Computational Fluid Dynamics，CFD) 数值计算已广泛应用到船-桨-舵相互干扰等较为复杂的水动力学问题中，已在节能附体的研究中取得很好的效果，通过CFD方法不仅可得到宏观的阻力推进结果，还可获得更为丰富的流场信息。

以一艘万车汽车运输船(Pure Car/Truck Carrier，PCTC)为研究对象，针对其艉部流场的特性设计桨前节能附体，利用CFD方法，从阻力、伴流场和推进等3个方面分析节能附体带来的影响，并与试验进行比较。通过考察加装节能附体后螺旋桨叶剖面的进流情况，分析节能附体引起螺旋桨的推力和扭矩发生变化的原因。

1 计算方法

1.1计算模型

选用前置预旋定子作为节能附体,预旋定子通常由左右不对称的机翼型叶片构成，叶片本身与轴向来流形成一定角度(攻角)，可在桨前产生逆桨旋向的水流，若叶片的周向分布适当，则可较好的整流效果，从而提高推进效率。需指出的是，预旋定子往往会产生附加阻力，而叶片数量与叶片攻角等因素均会对附加阻力产生影响，需合理设计定子形式，在阻力增加和效率提高间达到较好的平衡。预旋定子的叶片周向分布见图1，其中：R为螺旋浆半径，左舷叶片的攻角从上到下依次为12°，10°，10°；右舷叶片的角度为12°。

目标船为一艘万车PCTC，在上海船舶运输科学研究所的拖曳水池中进行模型试验，船模主尺度见表1，计算采用与模型试验相同的尺度。试验和计算均采用设计桨，船体、附体和桨的示意见图2。

表1 船模主尺度

1.2分析方法

采用STAR-CCM+进行数值模拟。在进行不带桨的阻力计算时，分别进行带自由液面和不带自由液面(叠模)的模拟，进而获得兴波阻力；在进行带桨的自航计算时，不考虑桨对兴波阻力的影响，只进行叠模计算，兴波阻力采用阻力计算时的兴波阻力值。自航计算采用这种方法相比完全不考虑兴波阻力的计算方法可更好地确定自航点和自航因子，相比带自由液面的自航模拟可节省计算资源和时间，是较为折中的方法。

自航模拟采用强迫自航法，计算时保持船体自航时航速不变，改变桨的转速，得到不同转速ni下的总阻力Ri，螺旋桨推力Ti和扭矩Qi，则自航所需的强制力为

Fdi=Ri-Ti

(1)

当Fdi=Fd时，对应的转速即为该航速下实船自航点的转速，其中Fd是船模实船摩擦阻力的修正值。在获得自航点转速n后，可获得对应转速下的推力T和扭矩Q；随后利用与船模试验一致的方法进行自航因子分析。

数值模拟的计算域见图3，其中L为船模的垂线间长。网格划分采用切割体网格，船体、桨及附体的面网格见图4。

2 结果及讨论

2.1附体阻力

为研究预旋定子带来的阻力增加，分别进行无节能附体和带节能附体的船模阻力计算，并在船模拖曳水池中进行模型试验，比较不同的傅汝德数下数值计算和模型试验的总阻力系数Ct(见表2)。由表2可知，数值计算与模型试验偏差约在3%。带定子后船模总阻力增加的百分比ΔR见图5，可看到定子带来的阻力增加约在1.6%，数值计算较为准确地模拟了定子带来的增阻。需指出，带定子后的总阻力增加不只是定子本身的阻力增加，还包括定子对流场的影响造成的船体和舵的阻力变化。利用数值模拟结果对具体的阻力成分进行分析，阻力增加中附体本身的阻力及船体、舵的阻力变化所占的百分比见图6，可知阻力增加的较大部分来自于船体阻力。此外，进行叠模计算，计算结果也可得到相同的结论。因此，节能附体带来的阻力增加主要来自于附体引起的船体黏压阻力的增加，因为附体的存在会改变船尾附近的压力分布。

表2 总阻力系数

2.2伴流分析

当Fn=0.178时，无附体和带节能定子的桨盘面处伴流场的数值计算和模型试验的结果见图7～图10。从图7～图10中可看出，无论是无附体还是带附体，CFD数值计算都可较好地模拟桨盘面的流场特征，与试验吻合较好。伴流模拟的准确度对推进性能的分析有较大影响，为进一步验证数值计算的伴流模拟精度，绘制0.7R(R为桨半径)和0.3R处的轴向速度Vx，切向速度Vθ和径向速度Vr的周向分布对比图(见图11)，其中桨盘面最高点定义为0°，按顺时针方向逐渐增大。从图11中可看出，除了0.3R处无附体的Vθ因绝对值非常小而偏差大一些之外，数值模拟与模型试验的结果非常接近，可很好地模拟定子对流场的影响。切向速度Vθ的对比可体现定子的预旋作用，图11中V>0表示速度方向为逆桨方向，反之为顺桨方向。从图11中可看出，顺桨方向流动得到抑制，而逆桨方向流动得到加强。

2.3推进分析

Fn=0.178时的自航计算结果见表3，给出自航点的螺旋桨转速、推力、扭矩和推进效率。由表3可知，与模型试验相比，数值计算的自航点转速偏高，整体推进效率偏低。在计算过程中可发现，桨在相同转速下推力扭矩的数值计算存在一定的误差，在桨的建模、网格划分及桨的运动模拟上还有须改进的地方。但是总体来说，从节能附体带来的影响方面看，数值计算与模型试验体现出较好的一致性。带附体后自航点转速降低，但桨的推力更大，虽然扭矩也有一定的增加，但整体推进效率得到提高。自航计算采用强迫自航法计算时，每个转速下带附体后桨的推力和扭矩相对无附体时增加的百分比见图12。由图12可知，推力的增加明显大于扭矩的增加。

a)试验b)计算

图7 无附体轴向伴流

图9 带附体轴向伴流

图8 无附体横向速度矢量

图10带附体横向速度矢量

表3 自航计算结果

螺旋桨表面在相同转速下的压力分布见图13，带附体后叶面的正压力和叶背的负压力都有所增加。对桨叶的进流情况进行分析，角度定义见图14，其中：Vx和Vθ分别为轴向及切向进流速度；n和D分别为螺旋桨的转速及直径；u为螺旋桨诱导速度；V为来流的合成速度；βp为螺距角；β为进角；βi为水动力螺距角(即实际的进流方向)；αk为叶剖面的进流攻角。分别提取无附体和带附体自航数值模拟结果中0.7R处的截面靠近导边处的进流速度(见表4)，其中最上面桨叶定义为桨叶1，顺时针依次为桨叶2，桨叶3和桨叶4。由表4可知，带附体后总的来流合成速度略有增加，实际的水动力螺距角βi随Vθ的增加而减小。这样进流的攻角αk增大，使得叶剖面有更大的升力dL。同时，由于βi的减小，使得升力轴向分量dLa变大，从而使得螺旋桨获得更大的推力。扭矩取决于升力在横向上的分量dLt，该分量由于βi的减小，使得增加值不如推力增加值大。此外，桨叶4导边所处位置为左舷定子叶片集中分布的位置，Vθ的变化量最大，攻角αk的变化量也最大。这里只考虑剖面升力dL，忽略垂直于dL方向的阻力dD，这是由于dL起主导作用，dD的绝对值和变化量相对于dL均更小。

桨叶无附体带附体V/(m/s)βi/(°)αk/(°)V/(m/s)βi/(°)αk/(°)桨叶15．9310．54．45．9410．14．8桨叶25．7911．83．15．8610．84．1桨叶35．5812．12．85．6911．23．7桨叶45．359．65．35．376．78．2

3 结 语

对一艘万车PCTC的节能附体进行数值研究，附体采用四叶的桨前预旋定子。结果表明，数值计算与模型试验的结果较为吻合。通过分析定子对阻力、伴流场和推进的影响，得到以下结论：

1) 定子引起的阻力增加约为1.6%，阻力增加的主要因素是由于定子的存在改变了船尾的流场，导致船体黏压阻力的增加；

2) 定子对桨前进流表现出明显的预旋效果，可抑制顺桨旋向的流动，增强了逆桨方向的流动；

3) 定子可使推进效率提高3%～4%，带定子后桨的自航点转速降低，推力增加，且其增加的百分比大于扭矩增加的百分比，整体的推进效率得到提高；

4) 定子的预旋作用使得桨叶剖面的水动力螺距角减小、进流攻角增大，在使推力显著增加的同时扭矩增加有限。

[1] ELIK F. A Numerical Study for Effectiveness of a Wake Equalizing Duct[J]. Ocean Engineering, 2007, 34(16): 2138-2145.

[2] MEWIS F. A Novel Power-Saving Device for Full-Form Vessels[C]∥First International Symposium on Marine Propulsors smp’9, 2009.

[3] GAO Y L, HUANG Z P, CHEN X P. A Study on Application of Energy Saving Devices (ESDs) for a Twin-Skeg Ship[C]∥The 6th Pan Asian Association of Maritime Engineering Societies/Advanced Maritime Engineering Conference, 2014.

[4] TERWISGA T V. On the Working Principles of Energy Saving Devices [C]∥Third International Symposium on Marine Propulsorssmp’13, 2013.

NumericalStudyofPCTCwithEnergySavingDevice

HUANGZhenping1，GAOYuling1，CHENXiaoying2
(1. State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship & Shipping Research Institute, Shanghai 200135，China；2. Hudong-Zhonghua Shipbuilding (Group) Co., Ltd., Shanghai 200129，China)

Energy saving Device are often introduced for improving ship propulsion efficiency. This paper presents the numerical studies of a Pure Car/Truck Carrier (PCTC) with a pre-swirl stator, covering the resistance/propulsion and the wake. Numerical results show a good agreement with model test data. The efficiency improvement of 3%～4% can be achieved by introduction of the stator. The angle of inflow to the propeller blades is also investigated to identify effect of the stator on the thrust and torque.

PCTC; pre-swirl stator; energy saving Device; numerical simulation

2017-02-14

黄珍平(1989—)，男，江西新余人，助理研究员，硕士，主要从事船舶水动力研究。

1674-5949(2017)02-0019-06

U664.33

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