CFD 基于 的某化学品船预旋定子优化

Chinese Journal of Ship Research - - 目 次 -

1,傅慧萍1,2,马宁1,2,杨晨俊 1,2韩聪1 200240高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海2 200240上海交通大学 海洋工程国家重点实验室,上海

CFD FLUENT,对模型尺度下配置了舵球鳍和预旋定子的某55k DWT摘 要:基于 通用软件 化学品船的自航性能进行数值模拟。通过推进效率的提高对定子的节能效果进行评估,并且几乎所有的自航因子在加定子后的变化趋势(如:转速降低、推力减额和伴流分数增大)计算结果都与试验结果一致。尾流能量分析进一步验证了CFD 3定子的节能效果:可有效减少尾流中的动能。之后进行基于 的预旋定子优化,对原型之外的 个改型设计进行的数值模拟结果显示:这些改型定子的节能效果依次递增;推进效率最高的改型相对于无定子情形,其在桨前的动能增加最大,在桨后的动能减少也最大。关键词:预旋定子;节能;自航;优化

0引言

船舶节能的重要性已为世界各国认识到,船舶节能技术也受到广泛关注。与新型节能船舶或高效螺旋桨相比,导管、舵球鳍及扭曲舵等水动力节能附体无疑具有代价低、高效易实施等优势[1]。其中,预旋定子是置于艉部螺旋桨前的一种节能2装置。通常,同时使用种及以上不同类型的节能附体可以得到更好的节能效果。大宇造船曾报道:通过扭曲舵、舵球及预旋定子的组合,节能效3%~6%[2]。果可达杨帆等[3]对大型散货船的预旋定子进行了节能效果评估。数值模拟得到的推进效率提高约3.1%,而模型试验为6.0%。通过速度矢量图和尾流能量计算进行了节能机理分析,结果显示:定子的尾部襟翼产生了预旋效果。黄树权等[4]通过收到功率的降低对某散货船的预旋定子进行了节能效果评估。数值模拟结果显示:扭矩增加而转速降低,收到功率降低约1.05% 3.40% ,而模型试验为。之后,他们又尝试了预旋定子与导管的组合[5]。这一次数值模拟得2.48% 2.86%,到的节能效果约为,而模型试验为两者吻合较好。苗飞等[6]对预旋导管内的定子叶片周向布置形式进行了分析(不考虑船体)。研究了单个叶片的周向影响范围及攻角对切向预旋作用的影响, 2 45°。之后,苗飞等并建议个叶片的最佳角度为4 Cfd又对文献[ ]中的结果进行了后处理及分析。通过定子叶片上的压力云图及其对船舶尾流动能的影响得到定子阻力特性及其预旋节能机理[7]。Gao等[8]通过改变周向布置、叶片数及叶片攻角,为某双体船设计了预旋定子以改善伴流分布及艉部流场,从而增加螺旋桨预旋流动并减少旋CFD转动能损失。凌乃俊等[9]基于升力线理论和数值方法,通过引进一个加权因子,在推进效率和阻力之间得到了预旋定子的最佳环量设计。Çelik等[10 ]基于升力线理论给出了一个螺旋桨后置定子的设计程序。Park等[11]为实尺度带节能附体船舶提出了一种可靠、高效的推进性能预报方CFD,计算消耗的计算资源法,该方法相比实尺度及计算时间均较少。Fluid本文将根据流体技术开发公司( Technology Company,FTC)提SSPA供的模型试验报告对节能效果评估的数值模拟方法进行校验。3在原型定子的基础上提出个改型,并围绕它们进行自航计算,提出一些优化方向。

1 模型与网格 1.1 几何建模

1图 所示为计算对象——某化学品船。坐标系定义如下:坐标原点位于船底基线上舵轴位置; x轴指向船艏;y轴铅垂向上;z轴按右手规则,指向船右侧(从后往前看)。 1表给出了实船主尺度和根据缩尺比1∶27.083=0.036 9换算得到的模型主尺度等参数。其中,Lwl为模型水线长,Tdes为设计水深,DP为Swl=螺旋桨直径, U0为船速。此外,湿表面积11.713 6 m2 Re=8.476×106 Fr= ,雷诺数,傅汝德数0.176。

1.2 网格设计

2采用模块化网格设计。除图 所示不带定子4网格之外,本文的计算至少还需要生成 套带定3),分别对应于原型定子和3子网格(图 个改型定2子。每套网格都包括 个区域:远场和近壁区,每个区域又包含若干个体网格。远场网格可完全共用,近壁区大部分体网格也可共用,仅艉部下方附体域中对应于定子区域的个别体网格需要置换。

2 螺旋桨敞水性能计算

1/4采用单流道计算敞水性能,流域为 个圆柱6DP体,入口取在桨盘面上游 处,出口取在桨盘面12DP 12DP。包含桨叶的子下游 处,圆柱体直径为

域采用四面体单元离散,其它区域采用三棱柱或94 SST六面体单元离散,单元总数约 万。采用 k-ω 4湍流模型。图 给出了敞水性能曲线的计算值与试验值(包括多项式拟合曲线)的比较。在自航点J=0.4 附近, KT,KQ,η0的计算误差分别为 2.2% , 6.0% -4.1%和 ,对于采用等推力法的自航模拟计算,此网格精度及计算方法是适用的。

3 自航计算 3.1 不带定子

Multi-Reference Frame,计算采用多参考系( MRF)方法在实船自航点上进行。因此,将调节螺旋桨转速,在施加拖曳力的情形下达到来流方向上力的平衡。此处拖曳力即为摩擦阻力修正值SFC,有 (1) R - T - SFC =0 T SP式中: T为螺旋桨推力; R 为自航总阻力。按T SP

试验时的工况,在实船自航点附近对螺旋桨转速SFC=14.10 N,n=8.85 s-1,进行进行近似取值。令自航计算。得到推力T和总阻力 R ,将其代入T SP式(2),得到此转速下的推力余量Te 。(2) Te = T - R + SFC T SP >0,尝试较低的转速;反之亦然。由如果 Te 2 5)。然此,得到符号相反的 个推力余量(图 后进0 n=9.23 s-1。行插值,得到推力余量为 对应的转速重新进行此转速下的船桨整体计算,并最终确定T=45.899 0 N ,Q=1.394 4 N·m;对应的自航推力 KT=0.162 4,KQ=0.020 6。推力系数和扭矩系数分别为 根据等推力法则,查询敞水性能曲线,得到进J=0.451速系数 ,敞水扭矩及敞水效率分别为JKT =0.020 9,η K = = 0.558 。将不带螺旋桨Q0 0 2πK Q0

=47.764 1 N的拖航计算得到的拖航阻力 R 代T Tow入推力减额分数计算式,得到t = (R - R Tow)/T= T SP T = 0.271 。由进速系数 J 及转速 n 推得进速 va J·nD=1.0 m/s w=1- = ,从而得到伴流系数 v a/U 0.302。由此得到船身效率和相对旋转效率分别为 η = (1 - t)/(1 - w) = 1.044 ,η = KQ0 /K = 1.015 。H R Q

2最终得到推进效率η = η η0 η = 0.591。表 给出D H R了自航计算结果及其与试验值的比较。尽管误差略微偏大,但不影响加定子前后的相对比较。

3.2 原型定子Case 1

6)。为便于表达,对定子各叶片进行编号(图3由表 可见,定子对自航性能的改善在定性比较上已基本完成,除相对旋转效率一项之外,各自航因子的上升和下降与试验基本吻合。但由于这个量值本身较小,对最后的计算结果影响不大。节Case 1能定子 的推进效率较之不带定子情形提高5.1%,这个增量在数值上比试验值2.7%偏高,了定子的节能效果得到了计算验证。

3.3 改型定子Case A~C

Case 1为了得到最佳节能效果,原型定子 被3 Case A~C(图 7优化成 个改型: )。尝试去掉Case 1 2 S2 S3,仅 3的右舷 个叶片 和 保留 个叶片2 1 P1 S1 P2 (左舷 个,右舷 个)。 和 加长并下移, Case A 4则缩短并增大攻角,得到 。由表 可见, Case A Case 1。令 Case A的推进效率略高于 的叶P2 90°拷贝生成一个新叶片,得到片 逆时针旋转 Case B。由表4可见,Case B Case 1的推进效率比1.3%。进一步借鉴Mewis的提高了近 导管专利文Case B P1 P2献中的定子布置,令 的叶片 和 顺时22.5°,P3 40°,得到 Case C。由针旋转 顺时针旋转4 Case C表 可见, 的推进效率按照预期进一步提Case 1 1.6%。高,与 相比提高了

4 尾流动能分析

8图 给出了螺旋桨、节能定子及舵球鳍的相A、桨 B C对位置,以及桨前截面 盘面 和桨后截面的位置示意。3个截面均为以桨轴中心线为基准1.05 倍,3的圆面,其直径为螺旋桨直径的 个面两0.1Dp。两相距 船舶在航行时螺旋桨吸收主机功率,推动船舶前进,但是螺旋桨吸收的功率并不能全部用于克服船舶阻力,有相当一部分能量损失在螺旋桨的尾流中。节能装置(例如前置定子)的作用就是减小尾流中的能量损失,提高推进效率,以达到节能的作用。因此,用能量的观点来分析船尾流场能够简洁明了地展示节能装置的节能机理。首先定义在尾流中单位时间内通过某截面 Sw 处的轴向动能 E 和横向动能 E : ax tr 式中: V ,V 和V 分别为尾流中的轴向速度、切a t r向速度和径向速度;V 为远方来流速度;S 为某s w截面面积。这里,横向动能 E 其实是切向和径向tr =0动能的总和。当总动能 K 时,说明尾流中没total >0有动能损失;当 K 时,说明推进系统的能量total有一部分浪费在了尾流中。 K 值越大,说明损total 5~ 7失在尾流中的能量越多。表 表 分别给出了3个改型定子及原型定子与不加定子情形下的船A,B C尾截面 和 处的尾流动能比较。表中:DK total K 与不带定子的 K 差值相对百为带定D子的和 total total分比, K DK 的定义类似。ax tr 5可知,4由表 型定子相较于无定子情形,桨Case C。由表6和表7前动能都有所增加,尤其是可知,通过桨盘面及桨后截面的总动能无一例外均减小,尤其是桨后截面。也就是说前置定子的预旋作用减少了螺旋桨的尾流动能从而产生节能

Case C效果。对于推进效率最高的 而言,相较于3其它 型定子,其桨前动能增加最大,桨后动能减少也最大。

5结语

CFD预旋定子的节能效果通过基于 的自航计算得到了评估。通过尾流能量分析,节能机理得到了验证:定子在桨前产生了反向预旋,这种预旋减少了桨后动能损失,从而产生了节能效果。3个改型定子与原型定子的比较显示:推进效率最高的改型,其在桨前的动能增加最大,桨后的动能减少也最大;前置预旋定子左舷侧的叶片数多于右舷侧,节能效果会更好。

参考文献:

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图1 坐标及建模示意图Fig.1 Coordinate system and modeling of stern,stator, propeller and rudder-bulb-fin

Fig.4 图4 敞水性能曲线Open water performance curves

n/s-1图5 推力余量Fig.5 Excess thrusts at different rates of rotation

图2不带定子网格Fig.2 Mesh without stator

图3带定子网格Fig.3 Mesh with stator

Fig.6 6 Case 1图 原型 示意图Configuration of the prototype Case 1

8 2图 桨盘面及与其平行的前后 个截面Fig.8 Propeller plane and two parallel sections

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