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1、某散货船整流导管能效数值分析 本文研究对象为一艘散货船，采用商业软件对其加装整流导管前后的水动力性能进行数值分析，研究 整流导管对船舶水动力性能的影响，分析其节能机理。本文计算时，考虑了螺旋桨的真实几何形状，通过数 值计算，分析了整流导管对船舶阻力、自航因子以及螺旋桨进流场的影响，分析了导管的节能机理，分析得 到的流场信息对于整流导管的设计具有一定的指导作用。数值计算得到船模自航因子变化规律与模型试 验结果相一致，预测出导管节能效果与模型试验结果比较接近，文中采用的数值方法可以用于节能附体能 效评估和优化设计中。 关键词关键词：CFD；自航数值模拟；整流导管；节能附体；散货船 0 引 言0 引
2、 言 在当前全球经济缓慢复苏以及我国经济增速放缓的背景下，船舶工业发展进入一个全新 的历史阶段，从经济效益和环境因素等方面考虑，船舶的节能减排是航运界和造船界共同聚 焦的热点。船舶水动力节能装置是实现船舶节能减排的有效手段之一，具有节能效果显著、造 价低廉等优点，受到了船舶行业内广泛的关注和持续的研发投入1-2。 目前，新建船舶较为广泛采用的一种节能装置就是整流导管，它具有结构简单、安装方便 的优点，不仅用于新建船舶，也可用于现有的营运船舶的改造。经海上试航和长期使用，综合 运载情况、航速和海况等因素，其节能效果可达5%左右。据不完全统计，该型节能装置在近30 年间已在上千艘单桨船上使用2。
3、一直以来，对于整流导管的节能效果评估，都是通过相应的模型试验实现2。但随着船舶 CFD技术的发展，采用CFD数值计算方法实现节能附体能效评估受到国内外学者的广泛关注， 已成为该领域研究的热点问题之一。 目前，对于CFD方法预报整流导管能效研究，已取得一定的进展4- 6，主要是借助CFD手段实现船舶阻力、螺旋桨敞水和船舶有、无节能附体下自航性能数值分 析7，并结合相关规程实现整流导管节能效果评估。但目前CFD计算方法的计算精度和稳定性 尚存在一些问题8- 20，仍无法完全取代模型试验，计算方法本身需经由更多的探索研究和模型试验数据验证来 改进和完善，对整流导管的节能机理尚需做进一步分析。 因此，
4、本文以一艘散货船为研究对象，采用商业软件STAR- CCM+，研究整流导管能效CFD计算方法，提升数值计算精度，分析整流导管对船舶阻力、流 场和自航因子的影响作用，分析其节能机理，为整流导管设计提供一定的参考。 1 数值方法1 数值方法 1.1控制方程控制方程 流场中控制方程为不可压缩流体的连续性方程和动量方程: （1） （2） 其中Ui（i=1,2,3）为雷诺时间平均速度矢量的分量，为无量纲压力系数。本文对螺旋桨采 用了实体建模的方法，模拟时体积力项为零。 1.2计算域及网格情况计算域及网格情况 在本文数值计算中，计算域采用了H型的计算域，如图2所示。计算域的边界包括以下几 个部分： （1（
5、前端船模首部向前约1倍船长处； （2（后端船模尾部向后约2倍船长； （3（两侧边界船模舷侧方向约1倍船长； （4（上边界船模最大型深； （5（下边界船模底部向下约1倍船长； （6（船模表面。 计算域边界条件设置为：计算域前端设为速度入口；计算域上边界、两侧及下边界均设为 对称边界条件；计算域后端设为速度出口；船体、螺旋桨、舵以及整流导管设定为固壁条件，满 足壁面无滑移假定。 本研究采用的网格形式为混合网格。网格划分时，对计算域进行详细的分块处理，计算域 内大部分区域采用六面体网格，仅在艏艉形状复杂的区域采用了四面体网格，同时为了保证 壁面附近的网格质量，在船体表面划分了边界层网格，涉及到自由液
6、面计算时，对自由面附近 网格进行加密处理。自航数值计算中对螺旋桨区域采用了四面体网格，对桨叶附近进行了局 部加密处理。计算域内网格单元总数约为300万。计算域及网格情况如图2中所示。 图1计算域及网格情况 1.3计算参数设置计算参数设置 湍流模式：选取RNG k-湍流模型进行对比计算； 自由面处理方法：自由表面计算采用了VOF方法； 压力与速度耦合方式：SIMPLE方法； 压力离散格式：采用PRESTO!（Pressure Staggering Option)方法离散，其他项采用二阶迎风格式离散； 螺旋桨模型处理：采用运动参考坐标系方法（MRF）来模拟螺旋桨的转动。 2 研究对象2 研究对象
7、本文选取的研究对象为一艘散货船，船体配备了相应的桨模、舵模和整流导管，其三维几 何情况如图1中所示。本文数值计算均采用模型尺度，计算工况对应傅汝德数为0.145，对应模 型速度为1.187m/s。船模和螺旋桨模型基本参数如表1中所示。 图2船、桨、舵和整流导管几何模型情况 表1船模和桨模基本参数 船模几何参数桨模几何参数 船舶类型散货船直径D (m)0.193 垂线间长Lpp（m）6.749叶数Z4 船宽B（m）1.089盘面比Ae/A00.519 吃水T（m）0.391螺距比P/D0.683 模型速度Vm（m/s ） 1.187旋向右 3 敞水及阻力数值计算3 敞水及阻力数值计算 3.1螺旋
8、桨敞水数值计算螺旋桨敞水数值计算 本节对18万吨散货船配备的螺旋桨进行敞水性能数值计算，表2为数值计算结果与模型 试验结果的比较。从计算结果可见，本节所采用的计算方法能够较好的模拟出的螺旋桨敞水 性能，与模型试验结果相比，推力系数误差基本在4%以内，扭矩系数吻合度较好，在设计点附 近（J在0.40.5之间）偏差在1%以内，敞水效率偏差基本上都在4%以内。 表2 螺旋桨敞水性能数值计算结果 JKT10KQEta0 KT偏差 10KQ偏 差 Eta0偏差 0.3 0.227 9 0.274 5 0.396 4 -3.0%1.6%-4.5% 0.4 0.184 4 0.234 9 0.499 8 -
9、4.2%-0.2%-4.0% 0.5 0.140 5 0.195 0.573 4 -4.1%-0.7%-3.5% 0.6 0.094 8 0.153 5 0.589 8 -2.4%0.9%-3.2% 3.2整流导管对船体阻力整流导管对船体阻力影响分析影响分析 3.2.1船模阻力计算结果 船模阻力数值模拟用于获得不带推进器的船模水动力性能，是船模快速性预报的重要组 成部分。 本文研究中分别对船模光体和加装整流导管情况进行了阻力数值计算，计算结果与模型 试验结果对比如表3中所示。从结果中可见，数值计算结果与模型试验结果吻合度较好，阻力 值偏差均在1.7%以内。船舶在加装附体后模型阻力略有增加，但增
10、加量很小，仅占总阻力的0. 2%。 表3叠模法计算得到模型阻力 导管Rtm-CFD (N)Rtm-EFD (N) Err% 无30.16529.6971.58% 有30.22829.7381.65% 4 4 船模自航数值船模自航数值计算计算 本课题研究主要关注的是前置导管的节能效果，导管安装在船尾部桨前方位置，具有一 定的沉深，节能效果的大小受船舶自由表面波浪的影响较小。为了节省计算时间，将研究的重 点放在对前置导管节能效果的数值研究上，在船模自航数值模拟中不考虑自由表面的影响， 即采用叠模法来求解。 4.1 自航计算结果自航计算结果 数值求解时，定义前方来流速度为设计航速不变，通过改变螺旋桨
11、转速n，建立Z-n、T- n、Q-n变化曲线。当Z=Fd时的转速n就认为是实船自航点的转速。 ST ZRT (8) 1 2 Dmmmfmfs FS VCC (9) 其中，RST为数值计算得到船模自航对应各个转速下的阻力值、m为水的密度、Sm为船模 湿表面积。由于整流导管湿表面积相比实船湿表面积是个小量，因而认为船舶在加转附体后F d的值是不变的，即取值均为14.262N。 对模型自航数值模拟，在设计速度分别变化三个螺旋桨转速，分别计算相应转速下船后 螺旋桨的推力、扭矩值以及有桨时船舶阻力值，绘制出推力T、扭矩Q和强制力Z随转速n的变 化曲线图，如图3中所示。根据强制力插值得到自航点转速、推力和
12、扭矩值，插值结果如表5中 所示。 8.08.28.48.68.89.0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 T(N) n(r/s) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 Fd=14.262N T=19.16N n=8.647r/s Q=0.4270N.m Q(N.m) T Q Z 8.08.28.48.68.89.0 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 T(N) n(r/s) 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35
13、0.40 0.45 0.50 0.55 0.60 Fd=14.262N T=19.006N n=8.487r/s Q=0.4210N.m Q(N.m) T Q Z (1)无导管(2)带导管 图3 自航分析中Z、T、Q随转速n变化曲线图 分析图3和表5中数据可见，在加装整流导管后，船模的自航点转速相比无导管时有所下 降，这与模型试验得到的变化规律是一致的。 表5无附体和带有附体时自航点CFD计算结果比较 工况自航点转速n(r/s)T(N)Q(N 无附体8.647 19.160 0.4270 带有前置导管8.487 19.006 0.421 4.2 节能效果分析节能效果分析 船/桨组合体的绕流计算
14、是自航性能数值预报的基础，基于船/桨组合体的绕流计算得到 数据，按照相关规程进行数据换算处理，便可得到船模的自航因子。表6中为采用ITTC推荐的 换算方法计算得到的加装导管前后自航因子各个成分及其变化情况。对结果分析可以发现： (1)数值计算分析得到各个成分变化规律基本与试验结果相一致，变化量级上也与模型试 验结果比较接近，数值计算结果显示本船在加装导管后推进效率提升了4.13%，模型试验得到 的结论是推进效率提升了5.8%，数值计算方法能够较好的预报出导管的节能效果，可见本研 究中采用的计算方法具有一定的精度，可以用于前置导管节能效果数值评估； (2)计算结果显示，加装整流导管后，推力减额有
15、所下降，伴流分数有所提升，船身效率相 比无导管时显著提升，模型试验和数值计算预测提升量分别为9.28%和6.44%，数值计算结果 与模型试验结果得到了相近的变化规律； (3)数值计算得到的相对旋转效率较试验值偏高，一是由于敞水计算推力系数Kt存在一定 的偏差，做自航分析时，采用了等推力法来分析自航因子，使插值点产生一定的变化，进而影 响相对旋转效率值，另外自航计算得到的船后螺旋桨扭矩值偏小，也进一步影响了相对旋转 效率的数值。由此可见对船舶因子数值分析的误差是由阻力计算、敞水计算和自航计算误差 累积的结果，需要我们不断的研究改进计算方法来提升计算结果的稳定性和准确性。 表6自航因子及节能效果分
16、析 数值计算结果试验结果 相关物理量 光体带导管变化率光体带导管变化率 敞水效率0.5150 0.5049 -1.96%0.5339 0.5150 -3.54% 相对旋转效率1.1075 1.1051 -0.22%1.0053 1.0094 0.41% 推力减额系数0.1700 0.1600 -5.88%0.1862 0.1789 -3.92% 伴流分数0.4157 0.4445 6.93%0.4171 0.4618 10.72% 船身效率1.4206 1.5121 6.44%1.3961 1.5256 9.28% 推进效率0.8104 0.8438 4.12%0.7493 0.7930 5.83% 5 5 流场分析流场分析 船舶加装整流导管之后，会在一定程度上改变船尾伴流场，影响螺旋桨的进流条件，进而 影响螺旋桨的推进效率、空泡激振力以及实船功率性能预报等方面。本节主要对加装整流导 管前后的船尾流场进行对比分析，探索整流导管对螺旋桨工作区域流场带来的改变，分析整 流导管的节能机理。 5.1 标称伴流场分析标称伴流场分析 图4中显示了数值计算和模型试验得到
