王炳亮

（廣船國際技術(shù)中心）

關(guān)鍵字：CFD 模擬；修正系數(shù)

0 前言

某大型礦砂船試航測試時(shí)，測得壓載吃水下從一側(cè)舵角35°轉(zhuǎn)到另一側(cè)舵角30°的轉(zhuǎn)舵時(shí)間僅為13s，但泵機(jī)壓力通過規(guī)范中的修正公式得到滿載吃水下的壓力值超出了泵機(jī)的能力，不滿足規(guī)范要求，本文采用CFD 模擬計(jì)算方法，分析不同轉(zhuǎn)舵時(shí)間對舵上扭矩的影響，計(jì)算修正值，以修正試航測試結(jié)果，獲得在滿載工況下，轉(zhuǎn)舵時(shí)間為28s 泵壓力值。

1 軟件及物理模型

使用的商業(yè)軟件STARCCM+，采用 K-Epsilon湍流模型，螺旋槳采用虛擬盤代替，舵的旋轉(zhuǎn)采用重疊網(wǎng)格方式實(shí)現(xiàn)。

2 主要參數(shù)

2.1 船舶主尺度

總長：abt.326.99 m

垂線間長：abt.321.5 m

型寬：abt.57.00 m

型深：abt.25.50 m

結(jié)構(gòu)吃水：abt.18.80 m

載重量：abt.261000 t

設(shè)計(jì)航速：abt.14.3 kn

2.2 舵型

剖面線：HSVA 0018

投影面積：101.83

最大舵角：35°

平衡比：23.8%

2.3 舵機(jī)

型式：TTS315M-6 電動機(jī)

功率：150kW

電壓：440V

電流：247A

轉(zhuǎn)速：1180RPM

3 幾何模型

計(jì)算模型采用實(shí)船尺度模型，幾何模型與實(shí)際情況一致，船體艉部幾何模型見圖1。

圖1 船體艉部幾何

圖2 計(jì)算域

4 計(jì)算域

計(jì)算域設(shè)置如下，速度入口距艉垂線2.5 倍船長，壓力出口距艉垂線2 倍船長，底面距基線2 倍船長，頂面距基線1 倍船長，側(cè)面距舯剖面1 倍船長見圖2。

5 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格密度由外到內(nèi)逐漸增加，在船體周圍，尤其是艏部、艉部以及波浪區(qū)域加密網(wǎng)格，網(wǎng)格量約1500 萬，舵旋轉(zhuǎn)采用重疊網(wǎng)格方式，詳見圖3 至圖6。

6 計(jì)算工況

流動介質(zhì)為海水，密度為1026.2241 kg/m3。模擬計(jì)算輸入值有航速、吃水、縱傾、螺旋槳轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)舵方向、轉(zhuǎn)舵時(shí)間。模擬計(jì)算輸出值是舵葉扭矩值。

試航工況吃水為設(shè)計(jì)吃水（10.5m），規(guī)范要求工況為滿載吃水（18.8m），設(shè)置計(jì)算工況見表1。

7 計(jì)算結(jié)果

在轉(zhuǎn)舵過程中，舵上的最大扭矩結(jié)果見表2。

7.1 對比經(jīng)驗(yàn)公式和CFD 計(jì)算得到最大扭矩結(jié)果

按經(jīng)驗(yàn)公式修正試航測試的最大扭矩結(jié)果和CFD 計(jì)算得到的最大扭矩結(jié)果見表3，可以看出CFD計(jì)算得到結(jié)果較小。

7.2 網(wǎng)格敏感性測試

采用兩套網(wǎng)格測試網(wǎng)格敏感度，工況2.1 網(wǎng)格基本尺寸為工況2.0的0.9倍，工況2.0網(wǎng)格量約1500萬，工況2.1 網(wǎng)格量約1900 萬，相比于工況2.0 增加了近1/4。從表4 可以看出，兩套網(wǎng)格計(jì)算結(jié)果差距很小，網(wǎng)格質(zhì)量滿足計(jì)算要求。

圖4 局部網(wǎng)格（艏部和艉部）

圖5 船體邊界層網(wǎng)格

圖6 重疊網(wǎng)格及邊界層

圖7 舵葉表面Y+值

圖8 艏部Y+值

表1 計(jì)算工況

表2 CFD 計(jì)算結(jié)果

圖10 總阻力收斂曲線

圖9 尾部Y+值

7.3 壁面函數(shù)Y+值

評估船舶艏部、艉部及舵葉的壁面函數(shù)Y+值，避免船舶艏部、艉部Y+值在5 到30 之間情況（在此區(qū)間沒有求解方程），舵葉和艉部的Y+值應(yīng)盡可能在30 到300 之間，這樣可以提高計(jì)算精度，詳見圖 7 至圖 9。

7.4 時(shí)間步長及收斂曲線

選取較小的計(jì)算時(shí)間步長，時(shí)間步長為0.01s。

計(jì)算過程中，先保證舵角不變，待計(jì)算收斂后，對轉(zhuǎn)舵瞬態(tài)進(jìn)行計(jì)算，收斂曲線如圖10 所示。

從圖10 可以看出，在未轉(zhuǎn)舵角時(shí)總阻力收斂，轉(zhuǎn)舵時(shí)總阻力的變化很小，并且呈現(xiàn)余弦曲線形式，從此可以判斷計(jì)算的收斂性很好。

表3 試航測試修正與CFD 計(jì)算結(jié)果對比

表4 兩套網(wǎng)格最大扭矩計(jì)算結(jié)果對比

8 結(jié)論

綜上所述，轉(zhuǎn)舵時(shí)間不同，舵上的最大扭矩值不同，且最大扭矩值受轉(zhuǎn)舵時(shí)間的影響較大，由于舵機(jī)扭矩與壓力值成正比，舵機(jī)泵上的壓力值可以通過下面公式修正：

注：

Pf---滿載工況下，轉(zhuǎn)舵時(shí)間28s 時(shí)，修正得到的舵壓力；

Pt--壓載工況下，轉(zhuǎn)舵時(shí)間13s 時(shí)，試航測得的舵壓力；

MMAX,f,cfd_28s--滿載工況下，轉(zhuǎn)舵時(shí)間28s 時(shí)，CFD 計(jì)算得到的最大扭矩值；

MMAX,t,cfd_28s--壓載工況下，轉(zhuǎn)舵時(shí)間28s 時(shí)，CFD 計(jì)算得到的最大扭矩值；

MMAX,t,cfd_13s--壓載工況下，轉(zhuǎn)舵時(shí)間13s 時(shí)，CFD 計(jì)算得到的最大扭矩值；

其中MMAX,f,cfd_28s MMAX,t,cfd_28s和MMAX,t,cfd_13s可以在表1 中查到。

修正系數(shù)：

通過以上修正系數(shù)對試航測試結(jié)果修正，得到結(jié)果滿足規(guī)范要求。