李亮， 劉登成， 韓用波， 許影博

(1.中國船舶科學(xué)研究中心 船舶振動(dòng)噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082； 2.江蘇省綠色船舶技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214082)

2014年，國內(nèi)海軍裝備研究院馬騁等[1]提出了一種低噪聲多葉耦合螺旋槳新構(gòu)型，并通過數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)方法開展了性能研究，取得了較好的效果。這種新構(gòu)型的主要特點(diǎn)是將多個(gè)槳葉(多達(dá)6～12葉)沿軸向錯(cuò)位多層耦合布置，有利于在葉數(shù)增加的情況下降低根部翼柵效應(yīng)，從而減小螺旋槳的非定常力和低頻噪聲、改善葉片空泡性能和提高推進(jìn)效率。和常規(guī)螺旋槳一樣，耦合槳在實(shí)際工程應(yīng)用中也需要考慮轂渦消除和能量回收的問題，轂帽鰭作為一種重要的消渦手段，具有結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便的特點(diǎn)，與耦合槳匹配使用同樣可以達(dá)到很好的消渦節(jié)能效果。

新型低噪聲耦合槳構(gòu)型新穎，增效降噪潛力大，但是到目前為止，國內(nèi)外并沒有關(guān)于耦合槳轂帽鰭設(shè)計(jì)的相關(guān)文獻(xiàn)，只能借鑒常規(guī)槳轂帽鰭的研究成果。轂帽鰭又稱為消渦鰭，在1987年作為一種新型的節(jié)能裝置被正式提出的，到2010年為止，已經(jīng)有1 800多艘實(shí)船上安裝了轂帽鰭，取得了很好的節(jié)能效果[2]。Ouchi等[3-4]進(jìn)行了轂帽鰭流態(tài)顯示試驗(yàn)；Kai等[5]通過數(shù)值計(jì)算分析了轂帽鰭的節(jié)能機(jī)理；Hsin等[6]用CFD工具對(duì)轂帽鰭的各種參數(shù)進(jìn)行了考察，得出結(jié)論影響轂帽鰭節(jié)能效果最主要的因素是鰭片的螺距角以及安裝角。國內(nèi)也有很多學(xué)者對(duì)轂帽鰭的節(jié)能機(jī)理等問題進(jìn)行過研究，王超[7]采用CFD方法分析了影響轂帽鰭水動(dòng)力性能的幾個(gè)參數(shù)，并給出了相關(guān)建議；李鵬程[8]建立了螺旋槳轂帽鰭粘勢(shì)耦合設(shè)計(jì)方法，對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行了模型試驗(yàn)驗(yàn)證；馬騁等[9]將螺旋槳與轂帽鰭作為一個(gè)整體進(jìn)行一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)過程中融入槳葉根部加載的設(shè)計(jì)思想。除此之外國內(nèi)還有大量學(xué)者開展了相關(guān)研究工作[10-11]。

轂帽鰭設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括葉數(shù)、直徑、螺距和安裝角度等。對(duì)于常規(guī)槳轂帽鰭，鰭葉數(shù)一般取和螺旋槳葉數(shù)相同為宜，鰭葉直徑取螺旋槳直徑0.18～0.33倍為宜[12]，而耦合槳轂帽鰭設(shè)計(jì)參數(shù)選取規(guī)律還有待研究。本文以某耦合槳為研究對(duì)象，采用數(shù)值方法分析了葉數(shù)、周向安裝角度和直徑等參數(shù)對(duì)轂帽鰭流場(chǎng)和節(jié)能效果的影響，可以為耦合槳轂帽鰭設(shè)計(jì)時(shí)主參數(shù)的選取提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 研究對(duì)象

1.1 耦合槳模型

本文以某10葉耦合螺旋槳(以下簡稱耦合槳)為研究對(duì)象，其主要參數(shù)如表1所示，其三維造型見圖1。

表1 耦合槳主參數(shù)

圖1 耦合槳三維造型

1.2 轂帽鰭模型

本文中與耦合槳匹配的轂帽鰭為變螺距角類型，其螺距角徑向分布如圖2所示，該轂帽鰭根部螺距角小，梢部螺距角大，這種螺距角分布形式有利于在消除轂渦的同時(shí)很好地改善鰭葉本身壓力分布。在研究鰭葉葉數(shù)、周向安裝角和直徑等參數(shù)影響時(shí)，轂帽鰭螺距角保持不變。

圖2 轂帽鰭螺距角徑向分布

2 數(shù)值模型

采用CFD數(shù)值方法，對(duì)耦合槳與轂帽鰭進(jìn)行整體計(jì)算，在慣性直角坐標(biāo)系下，定義坐標(biāo)軸x為螺旋槳的旋轉(zhuǎn)軸，指向下游為正?？刂品匠滩捎肦eynolds平均的Navier-Stokes(RANS)[13]方程，基于壓力的離散求解，其中對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式進(jìn)行空間離散，耗散項(xiàng)采用二階中心差分格式進(jìn)行離散。由于考慮到模型壁面剪切力的影響，為了能夠較好地模擬強(qiáng)逆壓梯度流場(chǎng)，本文所采用的是SST(shear stress transport)k-ω[14]模型，該模型混合了k-ω模型和k-ε模型的優(yōu)勢(shì)，能夠計(jì)算流動(dòng)分離區(qū)域，是目前二方程湍流模型中最為經(jīng)典的模型之一，在粘性繞流場(chǎng)的計(jì)算方面有很好的優(yōu)勢(shì)。但是對(duì)Y+值有著一定的要求，一般認(rèn)為在30～200為宜[15]，Y+函數(shù)定義如式(1)所示，它表示的是第1層網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)距壁面的無量綱距離:

(1)

式中:Y是單元中心到壁面的距離；μ是流體的動(dòng)力粘度；ρ是流體密度；τm是壁面切應(yīng)力。

計(jì)算域?yàn)橐粋€(gè)長方體流域，邊界條件設(shè)定如圖3所示，入口和周圍壁面距槳盤面6D(D為耦合槳直徑)，出口距槳盤面9D，螺旋槳和轂帽鰭旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過多參考系(MRF)[16]模型進(jìn)行模擬，轉(zhuǎn)速n=25 rad/s，入口水速通過計(jì)算進(jìn)速系數(shù)換算得到V=J0nD，J0為進(jìn)速系數(shù),轂帽鰭參數(shù)影響分析時(shí)進(jìn)速系數(shù)選擇為J0=0.6。計(jì)算采用切割體網(wǎng)格形式，計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為450萬，網(wǎng)格細(xì)節(jié)如圖4所示。

3 數(shù)值方法驗(yàn)證

為了確定數(shù)值方法的有效性，本文研究過程中首先選擇加工了一個(gè)葉數(shù)為5葉，轂徑比為0.29的轂帽鰭與耦合槳進(jìn)行匹配，并在中國船舶科學(xué)研究中心空泡水筒中開展了節(jié)能增效試驗(yàn)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D5，空泡水筒工作段見圖6。

圖7為空泡水筒轂帽鰭試驗(yàn)照片。僅安裝光帽時(shí)，槳轂后方存在極為嚴(yán)重的轂渦，安裝轂帽鰭后轂渦被完全抑制，雖然鰭葉本身有空泡發(fā)生，但這種空泡本質(zhì)上屬于片空泡，相對(duì)渦空泡類型的轂渦空泡，其尺度效應(yīng)小，只要轂帽鰭片空泡起始晚于槳葉葉背片空泡就可被接受。

圖3 計(jì)算邊界條件

圖4 計(jì)算網(wǎng)格

圖5 轂帽鰭試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

圖6 中國船舶科學(xué)研究中心空泡水筒工作段

圖7 耦合槳-轂帽鰭試驗(yàn)照片

圖8所示為不同進(jìn)速系數(shù)下耦合槳-轂帽鰭增效CFD計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，圖中數(shù)據(jù)顯示二者增效變化趨勢(shì)一致，量值上相差在1%以內(nèi)。一方面是計(jì)算狀態(tài)為敞水開闊水域，但空泡水筒中試驗(yàn)狀態(tài)為均勻來流，有筒壁效應(yīng)存在，實(shí)際工作進(jìn)速點(diǎn)有差別；另一方面轂帽鰭相對(duì)于螺旋槳來說尺寸要小，對(duì)網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算精度要求更高，根據(jù)以往計(jì)算經(jīng)驗(yàn)，大多數(shù)情況增效計(jì)算值都會(huì)比試驗(yàn)值偏小。總的來看，計(jì)算精度在可接受范圍之內(nèi)，本文采用的數(shù)值方法可靠有效。

圖8 耦合槳轂帽鰭增效CFD計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比

4 轂帽鰭參數(shù)影響分析

4.1 轂帽鰭葉數(shù)影響分析

本文中選取的耦合槳葉數(shù)為10葉，前組和后組槳葉各5葉，因此既可看做10葉單槳，又可認(rèn)為是5葉雙槳，轂帽鰭葉數(shù)的選取無法根據(jù)傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)去進(jìn)行簡單判斷。為了研究轂帽鰭葉數(shù)影響，分別選取轂帽鰭葉數(shù)為5葉、7葉和10葉，與耦合槳進(jìn)行匹配計(jì)算，如圖9所示。鰭的直徑均取0.29D。轂帽鰭周向布置時(shí)，任意選取一片鰭葉和螺旋槳前槳葉作為參考葉，讓鰭葉位于前槳葉的螺旋線延長線上，經(jīng)計(jì)算，鰭葉參考線落后前槳葉參考線81.2°時(shí)剛好滿足要求，如圖10所示。

4.1.1 流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

圖11給出了不同葉數(shù)轂帽鰭后方流線和壓力分布情況?？梢钥吹綗o轂帽鰭時(shí)，轂帽后方流體存在強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，尤其在槳轂中心區(qū)域，往下游泄出的流線呈規(guī)整的螺旋狀分布，轂帽后方有較大范圍的低壓區(qū)存在，最小壓力系數(shù)為-11.93；安裝有轂帽鰭后，轂渦運(yùn)動(dòng)明顯變?nèi)?，槳轂中心流線開始松散開來，轂帽緊后方的壓力也得到了顯著提升，有利于轂渦空泡抑制，同時(shí)也會(huì)減小槳轂自身阻力。另外，對(duì)比不同葉數(shù)轂帽鰭可以發(fā)現(xiàn)，鰭葉葉數(shù)越多，槳轂后方壓力提升越明顯，耦合槳轂渦消除效果越好，其中10葉轂帽鰭后方最小壓力系數(shù)僅為-2.733。

圖9 不同葉數(shù)轂帽鰭三維模型

圖10 轂帽鰭周向布置位置

圖11 不同葉數(shù)轂帽鰭后方流線和壓力分布

4.1.2 水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果分析

耦合槳匹配不同葉數(shù)轂帽鰭后其水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果如圖12所示。計(jì)算結(jié)果顯示5葉轂帽鰭增效為3.49%，7葉轂帽鰭增效為3.85%，10葉轂帽鰭增效為4.19%，轂帽鰭葉數(shù)越多，增效越明顯，和流場(chǎng)分析結(jié)果相吻合。這表明耦合槳雖然由前后2組槳葉錯(cuò)開布置，但在轂帽鰭葉數(shù)選取時(shí)，仍需以2組槳葉葉數(shù)之和作為參考。

圖12 不同葉數(shù)轂帽鰭耦合槳增效計(jì)算結(jié)果

4.2 轂帽鰭周向安裝角度影響分析

4.2.1 安裝角度計(jì)算工況

由于轂帽鰭周向安裝角度具備一定的周期性，因此在研究轂帽鰭周向安裝角度對(duì)耦合槳水動(dòng)力性能的影響時(shí)，考慮將周期角度分為6個(gè)間隔角度進(jìn)行計(jì)算，其中5葉鰭計(jì)算間隔角度為12°；7葉鰭計(jì)算間隔角度為8.6°；10葉鰭計(jì)算間隔角度為6°，取鰭葉位于前槳葉的螺旋線延長線上作為第1個(gè)計(jì)算基準(zhǔn)角度，再由此順時(shí)針推算其他計(jì)算狀態(tài)的安裝角度，具體計(jì)算工況如表2所示。

表2 安裝角度計(jì)算工況

4.2.2 水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果分析

圖13給出了不同安裝角“耦合槳-轂帽鰭”系統(tǒng)水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果，分析可知：

1)對(duì)于5葉轂帽鰭，工況1、工況3和工況4相對(duì)來說增效較高，分別為3.49%、3.50%和3.43%，這3個(gè)位置分別對(duì)應(yīng)前槳葉根部螺旋線延長線、落后后槳葉根部螺旋線延長線12°和后槳葉根部螺旋線延長線。這表明5葉轂帽鰭沿前槳或者后槳螺旋線安裝效率提升均比較明顯，而安裝角略落后后槳螺旋線安裝效率最佳；

2)對(duì)于7葉轂帽鰭，不同安裝角度耦合槳整體效率幾乎沒有發(fā)生變化，主要是因?yàn)橄麥u鰭葉數(shù)與槳葉數(shù)目非匹配狀態(tài)，不同安裝角度下總會(huì)有消渦鰭的葉片和耦合槳葉錯(cuò)開，因此任意安裝角度之間差別不大；

3)對(duì)于10葉轂帽鰭，工況1增效最高，為4.19%，其次是工況6，為4.17%。效率變化趨勢(shì)表明，10葉轂帽鰭沿前、后槳葉根部螺旋線延長線安裝效率提升最高；隨著鰭葉片與前槳葉根螺旋線逐漸錯(cuò)開，效率開始慢慢下降，位于前后槳葉根螺旋線中間時(shí)效率提升最?。划?dāng)鰭葉片進(jìn)一步與前槳葉根螺旋線錯(cuò)開，此時(shí)鰭葉片開始慢慢接近后槳葉根螺旋線位置，效率又開始慢慢提升。

圖13 不同安裝角“耦合槳-轂帽鰭”增效計(jì)算結(jié)果

4.3 轂帽鰭直徑比影響分析

固定消渦鰭葉數(shù)為10葉，安裝角度為后槳葉根部螺旋線延長線，對(duì)不同直徑轂帽鰭進(jìn)行水動(dòng)力計(jì)算，增效計(jì)算結(jié)果如圖14所示。從計(jì)算結(jié)果看，隨著消渦鰭直徑的增大，效率提升效果越來越顯著，在轂帽鰭直徑與螺旋槳直徑比值為0.41時(shí)，增效最高,為5.43%。

圖14 不同直徑比“耦合槳-轂帽鰭”增效計(jì)算結(jié)果

為了更好地分析轂帽鰭對(duì)尾流能量的回收情況，提取計(jì)算模型槳轂后方5 mm位置處的截面切向速度徑向分布進(jìn)行分析。圖15給出了不同直徑比的轂帽鰭槳轂后方切向速度徑向分布曲線，無轂帽鰭時(shí)，耦合槳槳轂后方切向速度分量較大；安裝轂帽鰭后，切向速度被有效回收，量值迅速減小?？梢钥吹?，在一定范圍內(nèi)，轂帽鰭直徑比越大時(shí)，對(duì)尾流切向速度回收效果越好，直徑比為0.41時(shí)，增效最高，此時(shí)槳轂后方無量綱切向速度整體更接近于0；而當(dāng)直徑比為0.45時(shí)，槳轂中心區(qū)域甚至出現(xiàn)了負(fù)的較大切向速度，說明此時(shí)尾流切向速度被過分矯正，反而對(duì)效率不利。

圖15 無量綱切向速度徑向分布

5 結(jié)論

1)耦合槳-轂帽鰭增效CFD計(jì)算值與試驗(yàn)值對(duì)比結(jié)果顯示不同進(jìn)速下二者增效變化趨勢(shì)一致，量值上相差在1%以內(nèi)，驗(yàn)證了本文數(shù)值方法的可靠有效性；

2)鰭葉葉數(shù)5～10葉變化時(shí)，葉數(shù)越多，槳轂后方壓力提升越明顯，耦合槳轂渦消除效果越好。表明耦合槳雖然由前后2組槳葉錯(cuò)開布置，但轂帽鰭葉數(shù)選取仍需以2組槳葉葉數(shù)之和作為參考；

3)不同葉數(shù)轂帽鰭最佳安裝角略有不同。對(duì)于5葉轂帽鰭，安裝角略落后后槳螺旋線安裝效率最佳；對(duì)于7葉轂帽鰭，不同安裝角度耦合槳整體效率幾乎沒有發(fā)生變化；對(duì)于10葉轂帽鰭，沿前、后槳葉根部螺旋線延長線安裝效率提升最高；

對(duì)于本文研究的耦合槳，直徑比為0.41時(shí)，增效最高，此時(shí)槳轂后方無量綱切向速度整體更接近于0，耦合槳轂帽鰭最佳直徑比相比常規(guī)螺旋槳要偏大，具體機(jī)理還需進(jìn)一步分析研究。