郭春雨， 徐鵬， 韓陽， 王超， 郭欣雨

(1.哈爾濱工程大學(xué) 船舶工程學(xué)院， 黑龍江 哈爾濱 150001； 2.水下測控技術(shù)重點實驗室，遼寧 大連 116013)

在經(jīng)濟全球化的今天，航運作為貨物運輸?shù)囊粋€重要渠道，對拉動經(jīng)濟發(fā)展具有重要作用。然而，燃油成本的日趨提高，增加了企業(yè)負擔。鑒于此，航運企業(yè)必須大力倡導(dǎo)節(jié)能技術(shù)，以達到降本增效的目的。另一方面，全球變暖趨勢日益增加，船舶能效指數(shù)實施勢在必行，船舶減排的重要性也受到了廣泛關(guān)注。水動力節(jié)能附體效率高、成本低、易于實施等優(yōu)勢逐漸凸顯[1]。預(yù)旋定子是水動力節(jié)能附體中的一種，其由多個固定不動且沿周向分布的機翼型葉片構(gòu)成，它能夠在槳前產(chǎn)生預(yù)旋流，降低螺旋槳能量損失，從而提高船舶的推進性能[2]。Celik等[3]以升力線理論為基礎(chǔ)設(shè)計了一個螺旋槳后置定子程序并對螺旋槳的水動力性能進行分析。黃樹權(quán)等[4]通過結(jié)合數(shù)值模擬和模型試驗2種方法研究了預(yù)旋定子設(shè)計參數(shù)對水動力性能的影響。苗飛等[5]利用數(shù)值模擬的方法研究了定子周向布置形式、單個定子周向影響范圍以及來流攻角對定子預(yù)旋作用的影響，并指出2個定子最佳布置角度為45°。苗飛等[6]通過分析前置預(yù)旋定子葉剖面阻力特性提出一種新型的葉剖面設(shè)計方法，最終船模試驗證實了方案可行性。楊帆等[7]采用數(shù)值模擬和模型試驗的方法評估了安裝有預(yù)旋定子的某大型散貨船節(jié)能效果，并通過速度矢量圖和伴流等值圖闡述節(jié)能機理。楊帆等[8]在先前研究基礎(chǔ)上設(shè)計出一種預(yù)旋定子，并通過CFD方法對影響定子性能的3個主要參數(shù)(襟翼角度、襟翼寬度、定子直徑)進行分析。凌乃俊等[9]以升力線理論為基礎(chǔ)，結(jié)合CFD數(shù)值方法，通過引進加權(quán)因子，預(yù)報了設(shè)計環(huán)量對船舶節(jié)能效果的影響，并得出最佳設(shè)計環(huán)量，并與模型試驗對比驗證了設(shè)計方法的可行性。Gao等[10]對預(yù)旋定子的相關(guān)參數(shù)(周向布置形式、葉片數(shù)量、葉片攻角)對節(jié)能效果影響進行研究，并設(shè)計出一種預(yù)旋定子。

進入21世紀，國內(nèi)外多家艦船研究機構(gòu)都對前置預(yù)旋定子進行了較深入的研究，如中國船舶科學(xué)研究中心、大宇造船海洋株式會社、三菱重工業(yè)有限公司、荷蘭海事研究所等。德國漢堡水池、瑞典船舶研究中心以及韓國船舶海洋工程研究所在船模水池進行過一系列模型試驗，表明預(yù)旋定子的節(jié)能效果可達3%～5%，而且目前已在實船上獲得應(yīng)用[9]，并取得了較好的節(jié)能收益。在國內(nèi)，對預(yù)旋定子的研究起步較晚，整體研究水平較國外有一定差距，且研究大多集中在數(shù)值模擬，對模型試驗驗證較少。

通過模型試驗獲得準確的船舶艉流場信息一直是船舶與海洋工程實驗流體力學(xué)領(lǐng)域研究的熱點[11]。由于船艉幾何形狀的特點，艉流場流動復(fù)雜，具有較強的三維流動分離現(xiàn)象，這對艉流場信息的獲取帶來了很大的挑戰(zhàn)。如今，粒子圖像測速技術(shù)(particle image velocimetry，PIV)作為一種瞬態(tài)、全局、無接觸的測量方法備受流體力學(xué)屆關(guān)注。PIV技術(shù)從20世紀80年代開始發(fā)展至今，相關(guān)技術(shù)越來越成熟、越來越完善，同時準確性得到了眾多學(xué)者的驗證，試驗結(jié)果也得到了廣泛認可。因此，PIV技術(shù)迅速成為試驗流體力學(xué)精細流場測量的首要方法。為此，本研究基于哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池水下體視粒子圖像測速系統(tǒng)(stereoscopic particle image velocimetry，SPIV)系統(tǒng)，對船舶艉流場進行測量，通過對有無預(yù)旋定子的伴流場中三向速度分布、渦量場分布以及旋渦強度進行艉流場流動特性分析。

1 試驗設(shè)備、試驗?zāi)Ｐ团c測量工況

1.1 基本試驗設(shè)備與條件

本文依托哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池開展某散貨船艉流場PIV試驗，試驗時遵循國際拖曳水池會議(international towing tank conference,ITTC)阻力測量規(guī)則，滿足Fr相似，雷諾數(shù)Re>2×106?；緦嶒炘O(shè)備如下：

拖曳水池：長度108 m；寬度7 m；水深3.5 m；

拖車：車速V≤6.5 m/s；穩(wěn)速范圍：0.1～6.5 m/s；精度：0.1%；平均加速度：a+>0.09g；平均減速度：a->0.15g。

通過4自由度適航儀連接船模與拖車，4自由度適航儀型號為GEL-421-1，精度為1%。

1.2 試驗?zāi)Ｐ团c測量工況

本文進行PIV流場測量試驗的模型為某型號單槳散貨船，實船總長度為324.9 m，船模總長LOA=5.415 m，縮尺比λ=60，主要尺度如表1所示。

表1 某型號單槳散貨船模型主要參數(shù)Table 1 The main parameters of ship model

散貨船模型船艉部以及預(yù)旋定子模型均進行噴涂處理，防止試驗時激光強反光對試驗結(jié)果影響。試驗?zāi)Ｐ图按w坐標系如圖1所示，現(xiàn)規(guī)定原點位于螺旋槳盤面中心位置，X軸沿船模中縱剖面指向船艉，Z軸垂直向上，Y軸遵循右手法則指向右舷。預(yù)旋定子由上海船舶運輸科學(xué)研究院提供，為不對稱型葉片，葉片左右分布不對稱，左側(cè)有3個葉片，每個葉片剖面不對稱，根據(jù)圖紙采用 PLA材料經(jīng)3D打印制作而成，并對預(yù)旋定子模型表面進行光滑處理。預(yù)旋定子葉片相對位置以及實物如圖2所示。試驗工況如表2所示，測量截面為螺旋槳盤面處(x=0 cm)及槳盤面后7.5 cm處(x=7.5 cm)。

表2 實驗工況Table 2 Test conditions

圖1 試驗?zāi)Ｐ图按w坐標系Fig.1 Test model and coordinate system

圖2 預(yù)旋定子葉片相對位置以及實物Fig.2 Pre-swirl stator and relative position of the blade of the stator

2 船舶艉流場PIV試驗測量

2.1 DANTEC隨車式水下SPIV系統(tǒng)

本實驗所用船舶艉流場測量設(shè)備為DANTEC公司為哈爾濱工程大學(xué)船模拖曳水池定制的隨車式水下SPIV系統(tǒng)，布置于拖車右側(cè)，SPIV系統(tǒng)規(guī)格參數(shù)如下：

CCD相機分辨率：2 048 pixel×2 048 pixel；

雙脈沖Nd：YAG激光器：最大脈沖頻率15 Hz；最大脈沖激光能量：1 200 mJ；常規(guī)工作能量：200 mJ；

激光束持續(xù)時長：4 ns；激光波長：532 nm；脈沖激光片厚度：0.6 mm；

最大測量范圍：400 mm×400 mm；

示蹤粒子：聚酰胺顆粒。

該套水下SPIV系統(tǒng)包含兩臺CCD相機、激光器、同步器和控制器。CCD相機以及激光光學(xué)元件布置于水下雷體中，激光導(dǎo)光臂和相機線纜鋪設(shè)在支柱1和支柱2中，激光器、同步器以及控制器安裝在拖車上。SPIV測試系統(tǒng)及拆解示意圖如圖3所示。

圖3 SPIV測試系統(tǒng)Fig.3 The SPIV system of the probe in the submersible PIV system

2.2 PIV流場數(shù)據(jù)采集、測量與分析

采用50 μm的聚酰胺顆粒作為示蹤粒子，每次試驗開始前通過示蹤粒子播撒裝置將示蹤粒子撒入待測水體，使每次測量過程中平均粒子濃度約為150 g/m3，即每個查問區(qū)域具有15～20個粒子，這樣能夠保證互相關(guān)分析的精確度。

系統(tǒng)工作時，由同步器控制激光器和2臺CCD相機，在發(fā)出激光的瞬間2臺相機從不同的角度拍攝測量區(qū)域中被激光照亮的示蹤粒子，得到2組不同角度的平面二維流場矢量結(jié)果，通過標定信息最終重構(gòu)出該平面測量區(qū)域的三維速度矢量。SPIV艉流場測量圖與測量示意圖如圖4所示。

圖4 SPIV艉流場測量實物與測量建模Fig.4 Measurement diagram and schematic of the SPIV measurement of the wake field

相機與脈沖激光器通過同步器控制，將SPIV系統(tǒng)的采集速率調(diào)至最大即7.5 Hz，保證進行測量時達到最大的樣本采集量，每次測量過程中一共記錄250組圖像，拍攝總時長為33.33 s，數(shù)據(jù)分析時依據(jù)此250組瞬時照片進行時間平均得到最終結(jié)果。

CCD相機為雙幀拍攝模式，2幀之間間隔為400 μs，這樣能夠保證示蹤粒子在單位時間間隔內(nèi)運動的最大位移不超過半個查詢區(qū)域。采用Dantec Studio 6.2軟件對試驗圖片進行批量處理與后續(xù)分析。自適應(yīng)互相關(guān)算法獲得流場矢量信息，查詢區(qū)域大小設(shè)置為128 pixel×128 pixel，64 pixel×64 pixel，32 pixel×32 pixel，重疊率為50%。

吳鐵成[12]應(yīng)用該SPIV系統(tǒng)在拖曳水池中進行了大量艉流場試驗，對該系統(tǒng)不確定度進行分析，并對KCS標模多工況下伴流場進行測量，與公開數(shù)據(jù)進行對比，驗證了該系統(tǒng)的準確性。

3 船舶伴流場PIV試驗結(jié)果及對比分析

3.1 船舶艉部伴流場速度分布

圖5為某散貨船縮比模型無預(yù)旋定子工況槳盤面處伴流場測試結(jié)果，利用拖曳航速U對結(jié)果進行無量綱化處理。由于激光反光及槳軸遮擋，部分流場結(jié)果無法獲取，依據(jù)船舶的對稱性，僅給出一半的流場測試結(jié)果，從圖5中可以看出，散貨船伴流場由于受到船舶艉部形狀的影響，會產(chǎn)生舭渦，受舭渦影響，速度云圖等值線具有明顯的“鉤狀”結(jié)構(gòu)，對應(yīng)0.25≤u/U≤0.35，軸向速度等值線之所以會產(chǎn)生“鉤狀”畸變，是由于舭渦的存在將船體伴流中動能較低的流體傳遞至船體中心附近，弱化了該處原有速度，形成局部“鉤狀”結(jié)構(gòu)。與此同時還觀察到，一個與舭渦旋向相反、位于螺旋槳槳軸下方的假轂轂帽渦，上述現(xiàn)象與文獻[13]中描述類似。

圖5 無預(yù)旋定子工況槳盤面處艉流場Fig.5 The wake field without pre-swirl stator at propeller plane

圖6為存在預(yù)旋定子工況下槳盤面處伴流場測試結(jié)果，利用拖曳航速U對結(jié)果進行無量綱化處理。槳盤面上方存在大量脈動速度是由于粒子濃度不均造成的。通過圖6可以看出，預(yù)旋定子對艉流具有干擾作用，主要影響區(qū)域位于有葉片存在的左半部分，上方“鉤狀”結(jié)構(gòu)被破壞，表現(xiàn)出速度等值線向槳盤面外部偏移。對于無葉片存在的右半部分，流場結(jié)果大致與圖5相似，速度等值線具有明顯的“鉤狀”結(jié)構(gòu)，流場結(jié)構(gòu)具有一致性。但兩者仍有差別，表現(xiàn)出無葉片一側(cè)的軸向速度增加，這是由于安裝預(yù)旋定子以后，在槳盤面處，定子對水流有匯聚作用[14]，使更多的水流匯聚到槳盤面，間接使得無定子一側(cè)區(qū)域的平均軸向速度增加?？梢缘贸觯A(yù)旋定子不僅僅影響葉片存在的一側(cè)，對沒有葉片的一側(cè)也會產(chǎn)生影響。同樣，預(yù)旋定子對展向、垂向速度都有較大影響，使得流場等值線向槳盤面中心收縮，增加了槳盤面左上方流場不均勻程度。通過流線圖可以看出，預(yù)旋定子產(chǎn)生的預(yù)旋流改變了槳軸下方的流線，降低了假轂轂帽渦強度。

圖6 有預(yù)旋定子工況槳盤面處艉流場Fig.6 The wake field with pre-swirl stator at propeller plane

通過矢量坐標轉(zhuǎn)換，得到了槳盤面處艉流場周向速度，如圖7所示。利用拖曳航速U對結(jié)果進行無量綱化處理，并給出速度矢量大小。通過圖7可以看出，預(yù)旋定子能夠顯著增加槳盤面外圍的周向速度，對靠近槳盤面中心區(qū)域影響較小。對比有無預(yù)旋定子周向速度發(fā)現(xiàn)，有預(yù)旋定子工況無葉片一側(cè)周向速度結(jié)構(gòu)與無預(yù)旋定子工況基本一致，在存在葉片一側(cè)，預(yù)旋定子使得周向速度顯著增加，槳盤面外圍速度等值線變得密集，切向速度梯度增加，產(chǎn)生與螺旋槳旋向相反的預(yù)旋流，這能夠增加槳盤面進流，改善螺旋槳工作條件。

圖7 槳盤面處艉流場周向速度對比Fig.7 Comparison diagram of tangential velocity of wake field at propeller plane

3.2 船舶艉部伴流場漩渦分布

圖8為槳盤面處無預(yù)旋定子船舶艉流場的漩渦強度(swirling strength)與渦量(vorticity(X))測量結(jié)果，依據(jù)船舶的對稱性，僅給出一半流場結(jié)果。其中，漩渦強度被定義為速度梯度張量J的復(fù)雜特征值虛部部分：

圖8 無預(yù)旋定子工況槳盤面處漩渦分布Fig.8 Vortex distribution of wake field without pre-swirl stator

(1)

由于測的的結(jié)果為平面內(nèi)數(shù)據(jù)，沿船長方向的平面數(shù)據(jù)梯度不能被計算，把它們設(shè)為零可以簡化特征值計算，所以虛部的平方值可以計算為[16]：

漩渦強度的局部最小負值可以用來識別渦核，而正值表示流場，剪切力可能會被顯示但沒有旋轉(zhuǎn)運動。旋渦強度的單位為1/s2。

圍繞X軸的漩渦的渦量：

(3)

同樣由于X方向速度梯度無法計算，所以僅圍繞X軸的渦量可以顯示為：

(4)

渦量的單位為1/s。

從圖8可以看出，舭渦與螺旋槳假轂轂帽渦可以被很好地識別，圖中渦量正值表示漩渦為逆時針旋轉(zhuǎn)，負值表示旋渦為順時針旋轉(zhuǎn)?？梢钥闯龃Ｓ蚁咸幍聂皽u為逆時針旋轉(zhuǎn)，左舷處的舭渦為順時針旋轉(zhuǎn)，且是由船體中部舭部產(chǎn)生并傳遞至螺旋槳盤面。螺旋槳槳軸下方的假轂轂帽渦在右舷處為順時針旋轉(zhuǎn)，左舷為逆時針旋轉(zhuǎn)，與舭渦旋向方向相反，螺旋槳假轂轂帽渦由船體艉軸處產(chǎn)生且隨流體傳遞到螺旋槳盤面處，整體漩渦位置與范圍與圖5中的流線圖相互對應(yīng)。

圖9(a)為加裝預(yù)旋定子工況螺旋槳盤面處漩渦強度分布，圖9(b)為螺旋槳盤面處渦量分布結(jié)果。

從圖8和9(a)中可以看出，無預(yù)旋定子的船艉伴流場體現(xiàn)出了較明顯的2組渦(舭渦及假轂轂帽渦)，而有預(yù)旋定子的船艉伴流場整體上雖然也體現(xiàn)出此2組渦，但其周圍還混雜著一些強度較低的渦；同時，從圖9(b)中可以看出，已出現(xiàn)正反渦相互摻雜的現(xiàn)象，尤其是下方的一對假轂轂帽渦，考慮到螺旋槳旋向為右旋，而此紫色正值渦明顯有擴散趨勢，其旋向為左旋，以此可以看出，預(yù)旋定子能夠在槳前產(chǎn)生與槳旋向相反的預(yù)旋流，從而改善螺旋槳工作條件，提高推進效率。

3.3 不同半徑處的軸向速度分布

受槳軸遮擋作用影響，槳盤面位置處的流場存在數(shù)據(jù)缺失，因此取槳盤面后7.5 cm處流場作為有無預(yù)旋定子存在的軸向速度差異對比，從而分析出每一角度上有無預(yù)旋定子存在的軸向速度差異。

根據(jù)軸向速度云圖，截取0.2R、0.4R、0.6R、0.8R、1.0R圓周范圍內(nèi)若干點上的軸向速度，每一圓周與預(yù)旋定子的相對位置關(guān)系如圖10所示。將圓周視為鐘表，規(guī)定0°位置為12點鐘方向(指向船艉正上方)，之后每間隔10°取一次點，從船艉前視，順時針方向為正方向。最終，將軸向速度u使用拖曳航速U作無量綱化處理。軸向速度對比結(jié)果如圖11所示。

圖10 0.2R～1.0R圓周與預(yù)旋定子的相對位置關(guān)系Fig.10 Relative position relationship between 0.2R～1.0R circumference and pre rotating stator

圖11 x=7.5 cm處不同半徑下軸向速度對比Fig.11 Comparison of axial velocity under different radius at x=7.5 cm

從圖11中可以看出，隨著船艉伴流向更大半徑處發(fā)展，流場受船艉阻礙作用減小，對應(yīng)船底部即180°速度提升最為明顯，其逐漸恢復(fù)至外流場流速。另外，受“鉤狀”速度分布影響，在0.6R～1.0R內(nèi)0°～45°、315°～360°內(nèi)總會存在先增加后降低的速度分布規(guī)律。相比較而言，0.2R～0.4R內(nèi)的相同位置處速度分布較為平緩。

對比有無預(yù)旋定子帶來的速度分布差異，在0.8R與1.0R的數(shù)據(jù)中可以看出，2條曲線基本重合，差異主要來自0.6R及以內(nèi)的部分。裸船體的艉流場速度分布大致關(guān)于180°對稱；受非對稱定子阻礙作用影響，存在預(yù)旋定子工況的速度分布并不明顯對稱，0°～180°內(nèi)，2條曲線比較吻合。然而在另半圓周內(nèi)，180°對應(yīng)的速度峰值偏移10°～20°，此角度對應(yīng)于下方葉片位置角度，且存在預(yù)旋定子時此偏移的速度峰值較裸船體180°的速度峰值提高10%～20%。觀察上方2葉片附近位置的流場速度，與裸船體相同位置處的速度相比均有減少，但幅度較小，整體上下方葉片附近的流場差異更大一些。這與船舶艉部的舭渦、假轂榖帽渦的位置與旋向息息相關(guān)。不同葉片位置處相反的渦旋向?qū)е铝肆鲌鏊俣确植嫉牟煌?。以上現(xiàn)象說明此預(yù)旋定子葉片布置形式，對于葉片存在的半圓區(qū)域(180°～360°)影響較大，下方葉片的存在對流場分布的影響更大，它導(dǎo)致了在0.6R內(nèi)，下方葉片附近位置的流場加速現(xiàn)象，槳盤面流體進流速度增加，改善了伴流條件，對提升螺旋槳效率起到了積極作用。但同時，加裝預(yù)旋定子對于槳盤面的流場均勻性產(chǎn)生了不利影響，在設(shè)計時應(yīng)充分考慮。

4 結(jié)論

1)PIV技術(shù)是船舶與海洋工程領(lǐng)域重要的測量技術(shù)手段之一。本文利用PIV技術(shù)精確捕捉到某散貨船艉流場中舭渦以及“鉤狀”速度輪廓等流場特征，“鉤狀”速度云圖等值線對應(yīng)的速度值約為u/U=0.30。充分顯現(xiàn)了其具有瞬態(tài)、全局、無接觸以及高精度等測量優(yōu)點。

2)在槳盤面位置處，預(yù)旋定子對艉流具有干擾作用，主要影響區(qū)域位于有葉片存在的左半部分，上方“鉤狀”結(jié)構(gòu)被破壞，表現(xiàn)出速度等值線向槳盤面外部偏移。對于無葉片存在的右半部分，速度等值線具有明顯的“鉤狀”結(jié)構(gòu)。預(yù)旋定子不僅僅影響葉片存在的一側(cè)，對沒有葉片的一側(cè)也會產(chǎn)生影響。預(yù)旋定子使得周向速度顯著增加，產(chǎn)生與螺旋槳旋向相反的預(yù)旋流，能夠增加槳盤面進流，改善螺旋槳工作條件。在渦量圖中，有預(yù)旋定子存在時已出現(xiàn)正反渦相互摻雜的現(xiàn)象，尤其是下方的一對假轂轂帽渦，由槳旋向以及渦的擴散趨勢，可以看出預(yù)旋定子能夠在槳前產(chǎn)生與槳旋向相反的預(yù)旋流。

3)對比有無預(yù)旋定子存在的艉流場軸向速度分布，可以發(fā)現(xiàn)此種布置形式的預(yù)旋定子在0.6R范圍內(nèi)的影響較大。受船艉伴流及艉渦的影響，中下方葉片對流場分布的影響更大，且造成附近速度峰值角度偏移、峰值增加，槳盤面流體進流速度增加，改善了伴流條件。