李冬琴，董自強(qiáng)，王麗錚

(1．江蘇科技大學(xué) 船舶與海洋工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212100；2．武漢理工大學(xué) 交通學(xué)院，武漢 430063)

傳統(tǒng)的助推葉輪利用螺旋槳后的旋轉(zhuǎn)水流進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力作用，回收了槳后旋轉(zhuǎn)水流的能量損失，具有較好的節(jié)能效果[1-2]，但傳統(tǒng)的助推葉輪主要的目的是回收旋轉(zhuǎn)水流的能量，沒(méi)有辦法消除槳后轂渦擾流現(xiàn)象，此外也沒(méi)有辦法回收槳后大量轂渦造成的能量損失。為此，考慮在保留傳統(tǒng)的助推葉輪節(jié)能效果的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)助推葉輪根部結(jié)構(gòu)進(jìn)行新的設(shè)計(jì)，使新的根部整流結(jié)構(gòu)可以擴(kuò)散螺旋槳后的轂渦，消除轂渦的擾流作用；根部新結(jié)構(gòu)中整流葉片可以利用槳轂旋轉(zhuǎn)水流的能量進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。為此，采用滑移網(wǎng)格方法對(duì)螺旋槳及螺旋槳-消渦助推葉輪組合系統(tǒng)進(jìn)行敞水性能數(shù)值模擬，將螺旋槳的敞水性能數(shù)值與試驗(yàn)值進(jìn)行比較，驗(yàn)證該方法的可靠性，將螺旋槳和消渦助推葉輪組合系統(tǒng)的數(shù)值模擬結(jié)果與螺旋槳單獨(dú)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行比較，分析新型消渦助推葉輪對(duì)螺旋槳敞水性能和槳后流場(chǎng)的影響，以及新型消渦助推葉輪在回收槳后旋轉(zhuǎn)水流能量和消除轂渦方面的表現(xiàn)力。

1 消渦助推葉輪的工作原理

如圖1所示，新型消渦助推葉輪位于螺旋槳后，在流場(chǎng)中進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)。

圖1 消渦助推葉輪工作原理

新型槳后消渦助推葉輪的直徑參照一般自由葉輪的直徑為1.15～1.35倍螺旋槳的直徑[3]，消渦助推葉輪分為內(nèi)外半徑兩部分。內(nèi)半徑部分充當(dāng)渦輪機(jī)的作用，吸收螺旋槳尾流能量，驅(qū)動(dòng)外半徑部分旋轉(zhuǎn)。其中，消渦根部半徑處除了起消渦的作用，同時(shí)也起到渦輪增壓的效果。消渦助推葉輪進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)，其總轉(zhuǎn)矩值為0，內(nèi)外半徑部分的轉(zhuǎn)矩方向相反，所以內(nèi)外半徑的轉(zhuǎn)矩矢量和為0；與此同時(shí)，其內(nèi)外半徑部分的推力方向相反，所以新型消渦助推葉輪具有節(jié)能效果時(shí)，內(nèi)半徑部分產(chǎn)生的推力矢量與外徑部分推力矢量之和必須大于0[4]。

(1)

(2)

式中：Rv、rt和ro分別為消渦助推葉輪半徑、內(nèi)部半徑，以及消渦根部半徑。

2 數(shù)值處理方法

2.1 計(jì)算模型

提出如圖2a)所示一個(gè)新型槳后消渦助推葉輪節(jié)能附體，該節(jié)能附體與傳統(tǒng)助推葉輪最大的不同之處在于葉輪根部消渦結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，從圖2b)結(jié)構(gòu)拆解模型說(shuō)明其特征：由圓臺(tái)、整流葉片、圓柱體、導(dǎo)管和水翼組成，槳后一部分水流從圓臺(tái)表面流入，經(jīng)過(guò)其中整流葉片的整流作用起到消渦的效果。此外整流葉片采用曲面設(shè)計(jì)，利用水流的運(yùn)動(dòng)特性使整流葉片兩邊產(chǎn)生壓力差推動(dòng)整個(gè)葉輪進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)，即新的消渦結(jié)構(gòu)部分設(shè)計(jì)既能擴(kuò)散轂渦又能起到渦輪增壓作用推動(dòng)外部水翼的旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力效果，這種功能是傳統(tǒng)助推葉輪所沒(méi)有的。

圖2 螺旋槳和消渦助推葉輪模型

選用KP505螺旋槳，其直徑Da為0.25 m；新型槳后消渦助推葉輪直徑Db為螺旋槳直徑的1.28倍，為0.32 m，消渦助推葉輪水翼有9個(gè)，整流葉片片數(shù)為6個(gè)，消渦助推葉輪軸向長(zhǎng)度Lb為0.08 m,導(dǎo)管的長(zhǎng)度Lh為0.05 m，導(dǎo)管的外表面直徑Dh等于螺旋槳槳轂小端的直徑為0.04 m。螺旋槳模型主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 KP505螺旋槳模型主要參數(shù)

2.2 計(jì)算域網(wǎng)格劃分及邊界條件

如圖3所示，選擇圓柱體計(jì)算域，整個(gè)計(jì)算域是由內(nèi)部?jī)蓚€(gè)旋轉(zhuǎn)域和1個(gè)外部靜止域組成[5]，其中外流場(chǎng)靜止域的直徑為8Da，長(zhǎng)度為14Da，包裹螺旋槳的旋轉(zhuǎn)域1直徑為1.7Da，長(zhǎng)度為0.5Da，包裹消渦助推葉輪的旋轉(zhuǎn)域2直徑為1.7Da，長(zhǎng)度為0.7Da，目標(biāo)計(jì)算螺旋槳距離計(jì)算域入口的距離為3Da，距離計(jì)算域出口的距離為11Da。

圖3 計(jì)算域劃分

根據(jù)螺旋槳旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，采用滑移網(wǎng)格方法[6]進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，其特點(diǎn)是在2個(gè)旋轉(zhuǎn)域和靜止域彼此接觸之間建立交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)信息傳遞；為了提高網(wǎng)格的質(zhì)量，采用混合型網(wǎng)格[7]，內(nèi)流場(chǎng)的2個(gè)旋轉(zhuǎn)域采用四面體網(wǎng)格，外流場(chǎng)的靜止域采用切割體網(wǎng)格，此外在螺旋槳和消渦助推葉輪表面進(jìn)行網(wǎng)格加密見(jiàn)圖4a)，并建立尾流場(chǎng)加密區(qū)域見(jiàn)圖4b)。

圖4 網(wǎng)格加密區(qū)域

如圖5所示，計(jì)算域邊界條件設(shè)置：靜止域的入口和圓柱體表面設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為壓力出口，2個(gè)內(nèi)部旋轉(zhuǎn)域和外部靜止域的3個(gè)流體域彼此之間建立交界面，交界面設(shè)為對(duì)稱(chēng)平面。螺旋槳是強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)的，所以給定1個(gè)轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向；而消渦助推葉輪是繞著螺旋槳槳軸方向進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)的，需要設(shè)置自由運(yùn)動(dòng)邊界條件，通過(guò)設(shè)置DFBI旋轉(zhuǎn)和平移來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖5 格劃分及邊界條件

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 動(dòng)力性能計(jì)算公式

根據(jù)敞水性能計(jì)算公式[8]，對(duì)螺旋槳和消渦助推葉輪的敞水性能進(jìn)行數(shù)值處理，其推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和敞水效率表達(dá)如下。

1)加裝消渦助推葉輪前螺旋槳敞水性能。

(3)

2)加裝消渦助推葉輪后螺旋槳敞水性能。

(4)

3)消渦助推葉輪敞水性能。

(5)

4)螺旋槳和消渦助推葉輪組合系統(tǒng)敞水性能。

(6)

式中：J為進(jìn)速系數(shù)；VA為來(lái)流速度；na為螺旋槳的轉(zhuǎn)速，Da為螺旋槳的直徑，ktc、kqc、ηc分別為螺旋槳和消渦助推葉輪組合系統(tǒng)的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推進(jìn)效率。其中下標(biāo)帶有a、av和v的字符分別代表加裝消渦助推葉輪前后螺旋槳以及消渦助推葉輪的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和推進(jìn)效率。

3.2 螺旋槳敞水?dāng)?shù)值驗(yàn)證分析

基于STAR-CCM+仿真軟件，設(shè)定螺旋槳的轉(zhuǎn)速為50 r/s，通過(guò)改變進(jìn)口流速VA來(lái)改變進(jìn)速系數(shù)J，進(jìn)速系數(shù)J的范圍選在0.1～0.8之間。計(jì)算獲得螺旋槳的敞水曲線與哥德堡2000年會(huì)議所提供的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，數(shù)值模擬(CFD)與試驗(yàn)(EFD)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)圖6。

圖6 KP505螺旋槳敞水性能曲線對(duì)比(數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn))

對(duì)比表2和圖6結(jié)果可知：在進(jìn)速系數(shù)較低的情況下，數(shù)值模擬和試驗(yàn)結(jié)果的誤差范圍均在5%以內(nèi)，而在進(jìn)速系數(shù)達(dá)到0.8時(shí)，推力系數(shù)和推進(jìn)效率的誤差分別達(dá)到8.593%和11.239%。造成誤差的原因有很多種，分析認(rèn)為，與網(wǎng)格的質(zhì)量，選取的湍流模型和數(shù)值離散的方式有關(guān)，還有可能是該商業(yè)軟件在高進(jìn)速系數(shù)下無(wú)法更好地捕捉到螺旋槳瞬態(tài)的運(yùn)動(dòng)信息；總體看來(lái)，螺旋槳敞水的數(shù)值模擬結(jié)果在工程容許范圍內(nèi)，驗(yàn)證了計(jì)算方法預(yù)報(bào)螺旋槳敞水水動(dòng)力性能可行。

3.3 組合系統(tǒng)敞水?dāng)?shù)值計(jì)算分析

對(duì)螺旋槳-消渦助推葉輪組合系統(tǒng)進(jìn)行敞水?dāng)?shù)值模擬，計(jì)算出組合系統(tǒng)中螺旋槳和消渦助推葉輪的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)、推進(jìn)效率等敞水性能數(shù)值，首先對(duì)比加裝消渦助推葉輪前后螺旋槳的敞水性能數(shù)值進(jìn)行比較，觀察消渦助推葉輪對(duì)前置螺旋槳是否能產(chǎn)生有利的干擾提高螺旋槳的推進(jìn)效率，數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)圖7。

圖7 加裝消渦助推葉輪前后螺旋槳的敞水性能對(duì)比

分析組合系統(tǒng)中消渦助推葉輪的敞水性能數(shù)值，見(jiàn)表2，研究其在組合系統(tǒng)中起到的推力效果；最終的螺旋槳-消渦助推葉輪組合系統(tǒng)的敞水性能由組合系統(tǒng)中有利干擾后螺旋槳的敞水性能和消渦助推葉輪的敞水性能來(lái)決定，通過(guò)水動(dòng)力計(jì)算公式計(jì)算得出組合系統(tǒng)的敞水性能數(shù)值，并將計(jì)算結(jié)果與單獨(dú)螺旋槳敞水性能數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)圖8，驗(yàn)證新型消渦助推葉輪的節(jié)能效果。

表2 消渦助推葉輪的敞水性能參數(shù)

圖8 螺旋槳-消渦助推葉輪組合系統(tǒng)與 單螺旋槳敞水性能對(duì)比

由圖7可見(jiàn)，螺旋槳-消渦助推葉輪組合系統(tǒng)中的螺旋槳相比于加裝前的螺旋槳敞水性能數(shù)值產(chǎn)生了變化，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)從0.3起螺旋槳的推進(jìn)效率都得到了提高，說(shuō)明消渦助推葉輪在中高進(jìn)速系數(shù)情況下對(duì)螺旋槳具有有利的干擾，可以提高螺旋槳的推進(jìn)效率。

從表2中可以看出，組合系統(tǒng)中消渦助推葉輪自身也會(huì)產(chǎn)生推力作用，推力系數(shù)由進(jìn)速系數(shù)的增加而減小，在較低進(jìn)速系數(shù)下產(chǎn)生的推力較大，推進(jìn)效率先增大后減小，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J為0.7和0.8時(shí)，組合系統(tǒng)中消渦助推葉輪的推力、推力系數(shù)和推進(jìn)效率均為負(fù)值，證明在較高進(jìn)速系數(shù)下還會(huì)產(chǎn)生反向阻力，其中轉(zhuǎn)矩為0，這是消渦助推葉輪進(jìn)行自由旋轉(zhuǎn)的原因。

從圖7中螺旋槳-消渦助推葉輪組合系統(tǒng)與單獨(dú)螺旋槳的敞水性能數(shù)值對(duì)比結(jié)果可以看出，進(jìn)速系數(shù)J在0.1～0.6范圍內(nèi)，KP505槳在加裝消渦助推葉輪后螺旋槳-消渦助推葉輪組合系統(tǒng)的推力系數(shù)kt與敞水效率ηo均有一定程度的提高，而轉(zhuǎn)矩系數(shù)kq變化不是太大，敞水效率的增量隨著進(jìn)速系數(shù)J的增加先增加再減小；當(dāng)進(jìn)速系數(shù)J高于0.6時(shí)，敞水效率無(wú)提升效果，反而產(chǎn)生阻礙作用，其中在進(jìn)速系數(shù)J=0.4條件下，敞水效率提升9.113%，達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

3.4 槳后消渦助推葉輪尾后流場(chǎng)分析

1)螺旋槳后轂渦的變化情況。在進(jìn)速系數(shù)J=0.4條件下，對(duì)加裝消渦助推葉輪前后螺旋槳尾流場(chǎng)變化情況進(jìn)行剖析，如圖9a)是加裝前轂帽后方的流線分布情況，可以看到很強(qiáng)烈的旋轉(zhuǎn)流線；而圖9b)是加裝后流線的分布情況，可以明顯的看到流線被理順了，不再做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，說(shuō)明加裝新型槳后消渦助推葉輪可以消除螺旋槳后的轂渦，突破了傳統(tǒng)助推葉輪在回收槳后水流能量的局限性。

圖9 KP505螺旋槳在加裝消渦助推葉輪 前后的尾部流線對(duì)比

2)螺旋槳后尾流周向速度矢量變化情況。在進(jìn)速系數(shù)J=0.4條件下，對(duì)加裝消渦助推葉輪后槳盤(pán)面后方X=0.2Da橫截面的速度矢量變化情況進(jìn)行分析，重在證明優(yōu)化后的消渦助推葉輪相較于傳統(tǒng)助推葉輪作用效果的優(yōu)越性。如圖10a)所示，螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向?yàn)楹谏^順時(shí)針?lè)较?，加裝后可以看出消渦助推葉輪外部水翼區(qū)之間矢量線方向和螺旋槳旋轉(zhuǎn)方向相同，順時(shí)針沖擊消渦助推葉輪外部的水翼，被沖擊的一面產(chǎn)生高壓區(qū)，另一面則形成低壓區(qū)，由此消渦助推葉輪與螺旋槳的旋轉(zhuǎn)方向相同，內(nèi)半徑部分吸收旋轉(zhuǎn)水流的能量驅(qū)動(dòng)外半徑處的水翼旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生推力作用，這也是傳統(tǒng)助推葉輪的工作原理；再?gòu)膱D10b)中可以看到，改進(jìn)后內(nèi)部消渦結(jié)構(gòu)部分速度矢量線，消渦結(jié)構(gòu)內(nèi)部矢量線沿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)沖擊著內(nèi)部的整流葉片，使整流葉片受力旋轉(zhuǎn)，且旋轉(zhuǎn)方向與外部的水翼方向相同，對(duì)整體的助推葉輪產(chǎn)生助力效果，說(shuō)明改進(jìn)后的新型消渦助推葉輪比傳統(tǒng)的助推葉輪多了一處渦輪增壓部分，助推效果更好。

圖10 KP505螺旋槳在加裝消渦助推葉輪后的 槳盤(pán)面后方速度矢量圖對(duì)比(X=0.2Da)

3)螺旋槳后尾流軸向速度變化情況。在進(jìn)速系數(shù)J=0.4條件下，對(duì)加裝消渦助推葉輪前后槳盤(pán)面后方X=0.32Da橫截面的軸向速度變化情況進(jìn)行分析。從圖11a)中軸向速度的分布情況可以看出尾流的軸向流速很高；而圖11b)中各部分尾流的軸向速度有所減慢，主要是一部分旋轉(zhuǎn)水流能量被消渦助推葉輪利用進(jìn)而減少了尾流能量損失。由此認(rèn)為，新型槳后消渦助推葉輪可以回收螺旋槳后的旋轉(zhuǎn)水流的能量，此外消渦部分的流速也在變慢，這個(gè)變化是由于消渦結(jié)構(gòu)部分中的整流葉片利用了尾流的能量。

圖11 KP505螺旋槳在加裝消渦助推葉輪前后的 槳盤(pán)面后方軸向速度圖對(duì)比(X=0.32Da)

4 結(jié)論

1)采用滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)J在0.1～0.8范圍內(nèi)的螺旋槳進(jìn)行敞水性能數(shù)值模擬計(jì)算分析是可行的，預(yù)報(bào)的精度符合工程設(shè)計(jì)的要求，數(shù)值模擬計(jì)算可以捕捉到螺旋槳復(fù)雜的流場(chǎng)信息，可作為新型槳后消渦助推葉輪節(jié)能效果分析的重要手段。

2)在螺旋槳設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速50 r/s，進(jìn)速系數(shù)J為0.4的情況下，螺旋槳-消渦助推葉輪組合系統(tǒng)敞水性能推進(jìn)效率提高9.113%，且螺旋槳后轂渦得到了較好的擴(kuò)散起到了整流作用，相比于傳統(tǒng)的助推葉輪更具有優(yōu)越性，具有較好的節(jié)能效果。

3)關(guān)于新型消渦助推葉輪敞水性能數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果可作為該附體設(shè)計(jì)的參考，但消渦助推葉輪直徑、整流葉片片數(shù)、水翼的數(shù)量以及與前置螺旋槳的距離等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)推進(jìn)效率的影響未做深入的分析，在后續(xù)的工作中有待進(jìn)一步研究。