基于自航流场数值模拟的舵球节能流场分析
高成君，刘
帅，黄苗苗，赵发明 （中国船舶科学研究中心，江苏无锡
214082）
摘
要：
：采用快速性数值模拟方法对加装舵球的36000t 散货船进行了节能评估。结果显示，加装舵球能起到一定的节能效果。之后对有、无舵球的两种方案的自航数值模拟流场进行了对比，分析获得了舵球节能的原理。模拟结果不仅可作为模型试验的有力补充，也可为舵球的优化设计提供重要参考。
关键 词：
：舵球；自航；数值模拟 中图分类号：U664.36
文献标志码：A
【DOI】10.13788/j.cnki.cbgc.2015.Z.005
Analysis on the Energy-saving Effect of the Rudder Bulb Based on Numerical Simulation of Ship self-propulsion
GAO Cheng-jun, LIU Shuai，HUANG Miao-miao，ZHAO Fa-ming (China Ship Scientific Research Center, Jiangsu Wuxi 214082, China)
Abstract:
In this paper, CFD methods were established and quoted to simulate 36000DWT bulk carrier with rudder bulb. And powering performance was predicted based on the simulation results. The comparison with ship without rudder bulb showed that main engine power of the ship with rudder bulb at design speed can be reduced. Further more, flow fields of self-propulsion were analyzed, low-pressure area of ship with rudder bulbs were found to be decreased at the back of hub, as well as the Vorticity-mag. Therefore the simulation results not only are the powerful addition for model tests, but also can provide reliable scientific basis for the optimization of rudder bulb. Key words:
rudder bulb; self-propulsion; numerical simulation
0
引言 随着石油价格的飞速增长，以及EEDI（新造船能效设计指数）的逐步实施，各国航运迫切要求开发民用船舶节能新技术。目前船舶节能采取的主要措施主要有四种：优化船型，以降低船舶阻力，改善船体与推进装置的配合；发展高效推进器；发展新的助推方式；开发水动力节能装置。由于优化船体型线以及优选动力装置措施一般只能在新船设计之初采用，一旦固定将很难改变，因此具有很大的局限性。舵球属于典型的水动力节能装置，应用上具有很大灵活性。舵球安装在正对螺旋桨桨毂的舵叶上，其中心线和桨轴中心线重合。舵球结构简单，安装方便，成本较低，更重要的是适合各种新旧船型，具有良好的节能效果。
舵球由日本川崎重工首先研制开发 [1] ，并在实船上安装使用，收到了4％的节能效益。八十年代中期以后，世界各国纷纷开始研究和使用舵球节能技术。国内上海船舶运输科学研究所、中船重工702所、中船工业708所等也各自独立的开展舵球节能试验研究，并将成果运用到实船开发设计上。随着计算流体力学的发展，CFD成为船舶水动力性能研究的重要工具，并在桨舵相互干扰的研究中得到广泛应用。目前对于舵球的研究一般是基于经验分析、试验结果和桨舵干扰的数值模拟分析 [1-3] 。
本文首先采用快速性数值试验对加装舵球的船模进行了节能效果评估，然后基于自航数值模拟结果，对舵球周围流场进行了对比，分析了舵球节能的原理。
1
节能效果 评估 1.1
模型主参数 本文计算模型包括加装舵球和无舵球的两种方
收稿日期：2014-11-14；修回日期：2015-06-23 作者简介：高成君（1983-），男，工程师。从事高性能船及水下潜器的研究。
案，船模为36000t 散货船。船体、舵、螺旋桨的主参数如表1 所示，模型缩尺比为1:26.7289。舵球外形如图1 所示。
表1
模型主参数 船体 舵系 螺旋桨 参数 实船 模型 参数 实船 模型 参数 实船 模型 水线长 L wl /m 186.0 6.959 舵面积A R /m 2
30.820 1.153 盘面直径 D P /m 6.014 0.225 型宽B/m 28.5 1.066 舵高 H/m 6.700 0.251 盘面比P/D P0.7R
0.8189 0.8189 首吃水 T F /m 11.0 0.412 舵宽B/m 4.600 0.172 0.75R 螺距比 A E /A 0
0.6 0.6 尾吃水 T A /m 11.0 0.412 展弦比 λ 1.460 0.055 0.75R 弦长c 0.75R /m 1.5546 0.0582 湿面积 S/m 2
8337.00 11.6694 平衡比e 0.400 0.400 0.75R 厚度t 0.75R /m 0.0833 0.0031 排水体积▽/m 3
47912.0 2.509
旋向 右旋 右旋
叶数 Z/个 5 5
(a)
无舵球方案
(b)
舵球方案 图1
模型局部放大示意图
1.2
数据处理 结果 评估安装舵球后的节能效果，需要从快速性角度对船模进行实船功率性能预报。船舶的快速性能预报，包括船模阻力试验、螺旋桨模型敞水试验和船模自航试验。本文基于CFD数值模拟的实船功率性能预报中，也开展了相应模型的阻力、敞水、自航的数值模拟，数值模拟采用的计算方法参考文献 [4] 。
模拟获得的数据按照ITTC 1978 评估方法处理，该方法是1978 年第十五届ITTC 推荐的，仅适用于水面单桨船快速性预报。其包括阻力处理程序、敞水处理程序、自航处理程序、航速预报程序。
1.2.1
船模阻力模拟结果 按照ITTC 1978 评估方法中的阻力处理程序，对设计航速 14kn、设计吃水 11m 时的船模阻力 CFD 模拟结果数据处理，结果如表2 所示。
表2
36000t 散货船模型阻力 CFD 模拟结果 参数 参数值 参数 参数值 V S /kn 14.0 C FS (10 -3 ) 1.508 Fr
0.169 C TS (10 -3 ) 1.966 C R (10 -3 ) 0.559 R TS /kN 435.73 C W (10 -3 ) 0.559 P E /kW 3138.0 其中：V S ——航速；C FS ——摩擦阻力系数；Fr——傅汝德数；C TS ——总阻力系数；C R ——剩余阻力系数；R TS ——总阻力；C W ——兴波阻力系数；P E ——有效功率。
可见设计航速 V S =14kn 时，主机有效功率 P E 为3138kW。
1.2.2
螺旋桨敞水模拟结果 按照 ITTC1978 评估方法中的敞水处理程序，对螺旋桨模型的CFD 模拟结果进行数据处理，得到螺旋桨敞水特性曲线，结果如表3、图2 所示。
表3
螺旋桨敞水 CFD 模拟结果 J K Tm
10K Qm
η 0m
J K Tm
10K Qm
η 0m
J K Tm
10K Qm
η 0m
0.10 0.4431 0.6409 0.1100 0.40 0.3261 0.4936 0.4206 0.70 0.1801 0.3096 0.6479 0.20 0.4091 0.5972 0.218 0.50 0.2796 0.4354 0.5110 0.80 0.1271 0.2397 0.6749 0.30 0.3698 0.5487 0.3218 0.60 0.2310 0.375 0.5883 0.90 0.0716 0.1641 0.6251 以上均为无量纲参数，J —— 进速系数；K Tm ——推力系数；10K Qm ——扭矩系数；η 0m ——敞水效率。
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.00.00.10.20.30.40.50.60.70.80.9K T
10K Q
h OJ K T 10K Q h o 图2
螺旋桨敞水特性 CFD 模拟曲线 1.2.3
数值自航试验结果及功率预报 设计航速14kn，设计吃水11m时的船模自航CFD模拟结果如表4、图3 所示。
为了补偿模型与实船摩擦阻力系数之间的差别，需要对模型阻力进行修正，即增加实船自航点阻力修正量 F D ，使得 Rm-F D =T。
21(1 )( )2D Fm Fs A AAF k C C C C V S （1）
根据以上结果，对无舵球与加装舵球时的自航CFD 模拟结果分别进行插值，并采用ITTC 1978 评估
3 方法中的自航处理程序和航速预报程序，求得设计吃水 11m、设计航速 14kn 下的自航因子及实船功率预报，如表5 所示。
表4
模型自航 CFD 模拟结果 无舵球方案 舵球方案 N/r·s –1
Rm/N T/N Q/r·s –1
N/r·s –1
Rm/N T/N Q/N·m 8.1 48.906 43.125 1.563 8.1 48.629 43.220 1.559 7.5 47.656 33.805 1.253 7.5 47.331 33.831 1.248 7.2 47.070 29.576 1.112 7.2 46.733 29.598 1.107 6.9 46.461 25.552 0.976 6.9 46.147 25.571 0.972
其中：
N —— 螺旋桨转速；Rm —— 阻力；T —— 推力；Q —— 扭矩。
6.9 7.2 7.5 7.8 8.101020304050T (N), Q (N*m), Z (N)n(r/s) T 10Q Z R m
(a)
无舵球方案 6.9 7.2 7.5 7.8 8.101020304050T (N), Q (N*m), Z (N)n(r/s) T 10Q Z R m
(b)
舵球方案 图3
数值自航试验曲线 表5
自航因子及实船功率预报 无舵球方案 V S /kn t w s
η Hs
η R
η 0s
η Ds
N S /r·min -1
P DS /kW 14 0.201 0.259 1.078 0.975 0.615 0.646 83.19 4857.6 舵球方案 V S /kn t w s
η Hs
η R
η 0s
η Ds
N S /r·min -1
P DS /kW 14 0.190 0.252 1.083 0.983 0.618 0.658 83.32 4769.0
其中：V S —— 航速； t —— 推力减额；w s —— 伴流分数； η Hs ——船身效率； η R —— 相对旋转效率；η 0s —— 螺旋桨敞水效率； η Ds —— 推进效率； N S —— 主机转速；P DS —— 主机功率。
由以上实船功率预报可知，相同设计航速下，加装舵球方案较无舵球时实船主机功率 P DS 可减小：4857.6-4769.0=88.6(kW)，即加装舵球可节能。
2
自航数值 流场 分析
由上可知增加舵球有节能效果。为找到节能原因，对舵球周围流场进行了深入分析。研究舵球流场特性，首先要考虑螺旋桨来流与舵、舵球之间的相互干扰作用，而船体的存在对螺旋桨入流又有一定的影响，可见舵、舵球、螺旋桨及船体是一个相互干扰的流场体系。船模自航CFD 模拟包括了船身、螺旋桨、舵和舵球，因此针对自航状态，设计吃水 11m，设计航速V s =14kn（Fr=0.169）下的数值模拟流场进行了分析。
从流场中选取三个典型截面的流场分析，三个截面的位置如图 4、图 5 所示。截面一，为船体中纵剖面；截面二，即通过螺旋桨中心线的水线面；截面三，即螺旋桨与舵中间位置的圆盘面，该圆盘面直径等于螺旋桨直径，位于螺旋桨正后方。
图4
截面一与截面二的示意图
截面一 截面 二
船体
图5
截面三示意图
(a)
无舵球方案
(b)
舵球方案 图6
中纵剖面压力分布图
(a)
无舵球方案
(b)
舵球方案 图7
桨后横剖面压力分布图
(a)
无舵球方案
(b)
舵球方案 图8
桨后中纵剖面流线分布图
(a)
无舵球方案
(b)
舵球方案 图9
水平面涡量分布图
(a)
无舵球方案
(b)
舵球方案 图10
桨后横剖面涡量分布图
图 6 是有、无舵球方案的中纵剖面位置桨后的压力分布对比图，从中可以看到，加了舵球以后桨毂后方的0Pa 和 400Pa 低压力区域明显变小了。图7 是桨毂之后的一倍桨径圆盘面上的流场分析。从图中的压力分布图可以看出，加舵球之后桨毂之后的低压区也明显减小了。可见加装舵球后，螺旋桨与舵中间的低压影响区域明显变小。
图 8 是桨后的中纵剖面位置的流线分布，可以看出无舵球方案的桨与舵中间位置有较大的漩涡，加了舵球之后单侧有漩涡，与无舵球方案的漩涡相近，但是漩涡影响范围变小了。图9 是通过螺旋桨中心线的水线面上的涡量分布图，可以发现除了壁面附近，无舵球方案的桨毂与舵中间位置还存在涡量较大的区域，加舵球之后则不存在涡量较大区域；图 10 是桨毂之后的一倍桨径圆盘面上的涡量云图，图中显示桨毂之后的涡量也明显减小。可见舵球减少了毂涡的形成，尾流能量损失有所减小。
根据以上流场分析可知，舵球对桨后的流场具有一定的整流作用，加装舵球之后，桨毂后的低压影响区域变小，涡量也明显减小了，所以加舵球方案的紊流场能量损失有所减小。这主要是由于减小了桨毂帽与舵之间的空隙，舵球填充了螺旋桨毂帽后的低压区空间，对桨后的水流起到了良好的整流作用。
可见加装舵球能起到节能作用，这与上一节模拟结果的实船功率预报结论一致。
3
结论 本文采用 CFD 数值模拟的方法对加装舵球和无舵球的36000t 散货船进行了船模阻力、螺旋桨模型敞水、船模自航等一系列快速性试验。通过计算结果的对比及桨后计算流场的精细分析，可以得出以下结论：
1）根据快速性数值试验的实船功率预报结果，加装舵球能起到一定程度的节能； 2）船模自航模拟的流场分析发现，加装舵球使得桨毂之后的低压影响区域变小，毂涡也明显变小，主要是由于减小了桨毂帽与舵之间的空隙，舵球填充了螺旋桨毂帽后的低压区空间，对桨后的水流起到良好的整流作用，从而减少了紊流能量损失； 截 面
5 3）从水动力学角度来讲，为了提高舵球的节能效果，桨毂与舵球顶端之间的设计要尽量符合流场连贯的原则，且舵球外观构型时要与舵光顺连接。
参考文献：
：
[1] 田岛山野. 一种节能型舵球系统[J]. 周风啸译自Shipbuilding Technology International’95.
[2] 李鑫. 桨后节能舵球的水动力性能分析[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2009. [3] 何苗. 一体化节能推进装置的构型设计及水动力性能预报[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工程大学, 2012. [4] Z. R. Zhang, C. S. Wu, S. F. Huang, et al. Numerical Simulation of Free Surface Flow of KCS and Interaction between Propeller and Hull[J]. Proceedings Vol. II, Gothenburg 2010-A Workshop on Numerical Hydrodynamics, Gothenburg, Sweden, 2010.
收稿日期：2014-11-14；修回日期：2015-06-23 作者简介：高成君（1983-），男，工程师。从事高性能船及水下潜器的研究。
