导管桨加装节能舵球的水动力性能计算分析
舵球几何参数对螺旋桨水动力性能的影响
／ 当 Ｓ$ → $） ｎ Ｖ０ · ｎ Ｑ ＝－ Ｑ（ φ － ０ ｐ －ｐ ＝ （ （ ） 在 ＳＷ 上 ） ５ ＋ － （ ／ ） ／ ） ｎ ｎ ０ －（ ＝ Ｑ Ｑ φ φ １ １ 式中 ， 上标 ＋ 和 － 分别表示在尾涡面上 、 下表面 Ｑ１ 是尾涡面上的点 ， 的值 。
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舵球几何参数对螺旋桨水动力性能的影响
何 苗， 王 超， 郭春雨 ， 黄 胜
收稿日期 ： ２ ０ １ １ ０ ５ １ ３． － － ） ） 基金项目 ： 博士点基金 （ 和中央高校基本科研业务费专项资金 （ ２ ０ １ ０ ２ ３ ０ ４ １ ２ ０ ０ ２ ６ ＨＥ Ｕ Ｃ Ｆ １ １ ０ １ ０ ６ ． ， ： 作者简介 ： 何 苗（ 女， 博士生 ． ａ ｈ ｏ ｏ ． ｃ ｏ ｍ． ｃ ｎ １ ９ ８ ５ Ｅ－ｍ ａ ｉ ｌ ｍ ｉ ａ ｏ ｍ ｉ ａ ｏ ５ ９ １ ２ １ ３＠ｙ －）
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导管螺旋桨设计和水动力性能分析
导管螺旋桨设计和水动力性能分析陈宁;赖海清【摘要】针对消拖两用船的综合舵桨系统,在综合舵桨动力传输系统结构设计基础上,对螺旋桨进行了设计研究,利用有限元方法分析了螺旋桨敞水工作时的推力、转矩、敞水效率以及桨叶的总压分布规律,并与实验值进行了对比,发现结论与理论分析结果吻合良好,从而初步形成了从最初的船型参数到预报螺旋桨敞水性能的整个综合舵桨的设计流程,具有一定参考价值.【期刊名称】《造船技术》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】5页(P10-13,23)【关键词】导管螺旋桨;敞水效率;总压分布【作者】陈宁;赖海清【作者单位】江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】U662导管螺旋桨是一种特殊的推进器，我国已经对其进行了大量的模型实验和理论研究工作[1]。
它适用于载荷较大的船舶，如拖轮、顶推船等。
具有在海上航行时，受外界海况变化影响较小，导管对螺旋桨有保护作用，且导管能显著改善航向稳定性等优点。
因此，在需要运动自如的工程船舶上，导管螺旋桨常被开发成综合舵桨系统[2,3]用于工程船上。
导管螺旋桨在结构形式、外型和水动力性能等方面与常规螺旋桨都有较大的差别。
导管螺旋桨的设计，包括导管设计和螺旋桨设计两部分。
国内外常用于导管内的螺旋桨有B型和K型[4]。
B系列螺旋桨常用的是B4-55型，其叶梢较尖。
K型比B型应用广泛，均为宽叶梢，对空泡的敏感较B型小。
K型又分Ka、Kv、Kd等多种，其中以Ka型最为常用。
导管也有多种型号，以4号导管、5号导管、7号导管、19A号导管和37号导管应用得较多。
本文采用了图谱估算方法对综合舵桨系统的导管螺旋桨水动力性能进行计算和研究，并结合导管螺旋桨的敞水实验进行了验证。
广州鸿业拖船有限公司的2×2 500 kW消拖两用船技术规格书所提供的技术参数如表1所示。
舵球对桨-舵组合系统水动力性能影响的研究
舵球对桨-舵组合系统水动力性能影响的研究赵陈;马瑶珠;张莹莹【摘要】针对某-MPV2200散货船的敞水试验桨和NACA66翼型舵,利用CFD软件对螺旋桨的敞水性能进行预报,计算结果与试验值的相对误差在6％以内,验证计算方法的可靠性.附加舵球结构,通过舵球直径和桨毂直径的比值(Db/Dh)变化,研究舵球直径对桨-舵-舵球系统的水动力性能的影响.计算结果表明,对于本桨-舵系统,Db/Dh=1.50时,舵球的节能效果最佳.该值和文献中给出的舵球最佳尺寸范围基本吻合,验证了该方法的有效性.随着进速系数J的变化,桨-舵-舵球系统与桨-舵系统的效率增幅也会发生变化,最大效率增幅可达到2.53％.这也为舵球的优化设计提供了参考.【期刊名称】《系统仿真技术》【年(卷),期】2019(015)002【总页数】5页(P126-130)【关键词】CFD;桨毂直径;桨-舵-舵球系统;水动力性能【作者】赵陈;马瑶珠;张莹莹【作者单位】浙江国际海运职业技术学院船舶工程学院,浙江舟山316021;浙江国际海运职业技术学院船舶工程学院,浙江舟山316021;浙江海洋大学船舶与机电工程学院,浙江舟山316022【正文语种】中文【中图分类】U661.33+6船舶节能减排一直是船舶工业发展的重要研究方向之一[1,2],舵球结构作为一种实用、简单的节能附加装置,其节能原理和节能效果已经被国内外很多学者研究和证明[3-4]。
对于不同的桨-舵组合,舵球的最佳节能尺寸并不是一定的[5-6]。
因此,对某船只进行二次节能改造,舵球几何参数设计需要在确定桨-舵组合下进行有限元数值模拟,以确定其最佳几何形状。
根据舵球节能原理,螺旋桨旋转时形成的环流,导致毂帽后产生低压区,通过在毂帽后极近区域布置舵球,可以补偿这一区域的流场能量损耗。
李鑫[6] 提出,舵球直径一般要大于桨毂直径,但是没有给出具体数值。
考虑到舵球的节能原理,本文使用舵球直径Db和桨毂直径Dh的比值变化,来研究舵球的节能效果。
带有舵球式推力鳍的船用舵水动力性能研究
数据采集：采用高速摄像机和压力传感器进行实时数据采集
添加标题
数据处理：使用MATLAB软件进行数据处理和分析
添加标题
数据分析：采用傅里叶变换、小波变换等方法进行数据分析
添加标题
结果展示：使用图表、曲线等方式展示数据分析结果
添加标题
实验结果与分析
PART 04
实验数据整理，包括舵球式推力鳍的推力、阻力、速度等参数
参考文献
PART 06
THANK YOU
汇报人：
带有舵球式推力鳍的船用舵水动力性能研究
汇报人：
目录
01
研究背景
02
船用舵水动力性能的理论基础
03
实验设计与方法
04
实验结果与分析
05
结论与展望
06
参考文献
研究背景
PART 01
船用舵水动力性能的重要性
船用舵是船舶航行的重要部件，其水动力性能直接影响船舶的操纵性和安全性。
01
02
舵水动力性能的好坏直接影响船舶的航速、航向稳定性和操纵性，对船舶的航行安全和经济性具有重要意义。
流体力学基本原理
连续性方程：描述流体的流动状态和速度分布
雷诺数：描述流体的流动状态和阻力系数之间的关系
伯努利方程：描述流体的压强、速度和密度之间的关系
纳维-斯托克斯方程：描述流体的粘性和湍流特性
船用舵水动力性能评价指标
舵位：舵在水平面上的位置
舵阻：舵在水平面上的阻力
舵速：舵在水平面上的转动速度
舵角：舵在水平面上的转动角度
单击此处输入（你的）智能图形项正文，文字是您思想的提炼，请尽量言简意赅的阐述观点
a. 船模安装舵球式推力鳍b. 船模放入水槽中c. 调整船模位置和姿态d. 测量舵球式推力鳍的水动力性能e. 记录数据，进行分析和总结
CFD在机电一体化导管桨性能分析及优化设计中的应用
数值计算域大小如图１所示。求解时边界条件 设置为给定一定湍流强度的均匀来流速度进口、压 力出口和无滑移的静止壁面（图１）。采用基于附加修 正技术的多重网格用于加速求解。空间的数值离散 采用全结构化网格。转子和定子叶片通道网格如图 ２所示。叶片周围采用Ｏ型网格。叶顶间隙采用独 立的Ｈ型网格，嵌入到周围的Ｏ型网格之中。壁面 第一层网格厚度取为１０－２Ｒ，Ｒ为转子半径。计算得 到所有壁面广＜１００，满足该求解器使用ＳＳＴ湍流模 型对壁面流动模拟的要求。采用稳态多参考系方法
‘海军工程大学校长号项基金资助项目（Ｅ４５０）。２００９０１０３收到初稿， ２００９０８０１收到修改稿
万方数据
２０１０年１月
杨琼方等：ＣＦＤ在“机电一一体化”导管桨性能分析及优化设计中的应用
１６３
ｔｕｒｎａｒｏｕｎｄ ｔｉｐ ｆｌｏｗ ｗｉｌｌ ｂｅ．Ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｎｇ ｉｓ ｂｅｎｅｆｉｃｉａｌ ｔｏ ａｘｉａｌ ｆｏｒｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｄｕｃＬ ｂｕｔ ｎｏｔ ｔｏ ｔｈｅ ｂｌａｄｅ，ａｓ ｉｔ ｍａｋｅｓ ｔｈｅ
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｈｉｐ Ｄｕｃｔｅｄ ｐｒｏｐｕｌｓｏｒ Ｍｅｅｈａｔｒｏｎｉｃ ｄｕｃｔｅｄ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎａｌｙｓｉｓ
Ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｄｅｓｉｇｎ
０前言
导管推进器作为一种组合推进器，一般由转 子、定子和环状导管组成。因为导管的存在，其流 场是一个复杂的多连通域，部件之间以及推进器与 推进载体之间复杂的相互作用会直接影响到导管推 进器的推进性能【ｌ五Ｊ。所以，深入掌握流场细节特征 对于导管推进器推进性能分析和优化设计来说都是 至关重要的。计算流体力学（Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌ ｆｌｕｉｄ ｄｙｎａｍｉｃｓ，ＣＦＤ）作为一种分析复杂三维区域流场流 动特征的工具，相当于一个虚拟试验平台，能够使 流场细节“可视化”，可以减少大量的模型试验，对 试验无法测量或很难测量的参数也可进行计算和显 示嘲。对于推进器设计和性能分析人员来说，ＣＦＤ 是一个不可多得的设计与分析工具。
桨舵系统非定常水动力性能的整体求解法
２ １ 年 １ 月 ０１ １
哈
尔
滨
工
程
大
学
学
报
Ｖｏ ． ２ № ．１ １３ １ ＮＯ ． ０１１ Ｖ２
Ｊｕ ｎ ｌｏ ｒ ｉ ｇｎ ｅｉｇＵ ｉｅｓ ｙ ｏ ｒａ ｆ Ｈａｂ ｎＥｎ ｉｅ ｒ ｎｖ ｒｉ ｎ ｔ
ｄｉｌ．９ ９ ｊｉ ｎ １０ ７ ４ ．０ １ １．０ ｏ：Ｏ ３ ６／．ｓ ．０ ６— ０ ３ ２ １ ． １０ ３ ｓ
较好 的 可行 性 ．
关键词 ： 桨舵系统 ； 非定常性能 ； 整体求解 ； 影响系数 中图分类号 ：６ １３ ３ 文献标 志码 ： 文章编号 ：０６７４ （ ０ １ １—４００ Ｕ ６．１ Ａ １０ —０ ３ ２ １ ） １１ １－６
Ａｎ ｉ ｔ ｇ ａ ｏ ｕ ｉ ｎ ｆ ｒ ｐ ｅ ｉｔｎ ｈ ｎ ｅ ｒ ｌｓ ｌ ｔｏ ｏ ｒ ｄ ｃ ｉ ｇ ｔ ｅ
Hale Waihona Puke 二者 间的干扰 ， 桨舵水动力性能 同时求解． 改进 了整体计算法 ， 简化 了影 响系数变化 的复杂规律 ， 完善 了理论计算 方法． 利用 ＩＴ Ｔ Ｃ推荐的 Ｈ Ｐ桨对程序的可靠性进行 了验证 ． Ｓ 讨论 了螺旋桨尾涡对舵 的影 响， 计算 了均匀来 流中桨舵系统 的水 动力性 能， 将非定常计算结果 均值 与定 常结果进行 了对 比． 比较结果表 明， 用整体法计算 桨舵非定常水 动力性能具 有 利
ｕ ｓｅ ｄ ｅ ｆ ｒ ａ ｃ ｆ ａ ｐ ｏ ｅ ｌ ｒ ｒ ｄ ｅ ｙ ｔ ｍ ｎ ｔ ａ ｙ ｐ ｒ ｏ ｍ ｎ ｅ ｏ ｒ ｐ ｌ － ｕ ｄ ｒ ｓ ｓｅ ｅ
ＨＥ Ｍｉ ｏ， ａ ＨＵＡＮＧ ｈ ｎ Ｓ ｅ ｇ，Ｗ ＡＮＧ ａ Ｃｈ ｏ，ＣＨＡＮＧ ｎ Ｘｉ
高效螺旋桨与舵球组合使用节能效果分析
天津航海
２ ０ １ ３年第 ３期
高 效 螺旋 桨 与舵 球 组 合 使用 节 能效 果 分 析
杨 海 军
（ 中远散货运输有限公司 天津 ３ ０ ０ ０ １ ０ ）
摘 要： 以８ ２ ０ ０ ０ Ｄ ＷＴ散 货 船船 作为 应 用研 究 对 象， 组合 应 用 Ｋ ａ ｐ ｐ ｅ ｌ 螺 旋 桨和 舵 球 。采
ｌ 节 能推 进装置 简介
１ ． １ Ｍ ｅ ｗ ｉ ｓ 导管
贝克 尔船舶 系统公 司的 Ｍ ｅ ｗ ｉ ｓ导管依 靠 改善螺
后顶开涡流并顺着舵球 流过舵叶 ， 从而提高推进系 统效率。
１ ． ５ Ｋ ａ ｐ ｐ ｅ ｌ 螺 旋桨
收稿 日期 ： ２ ０ １ ３— ０ ５—１ ０
（ Ｉ Ｍ Ｏ ） 主导下 ， 各种限制船舶废物排放的强制性 国 际公约密集出台， Ｍ Ａ Ｒ Ｐ Ｏ Ｌ附则 Ｖ Ｉ 修正案引入船舶 能效条款 ， 并于 ２ ０ １ ３年 １ 月１ Ｅ ｔ 生效 实施 ， 迫使船 企不断研发相关技术。另一方面， 航运业运力过剩， 竞争激烈 ； 燃油价格持续高企 ， 全寿期航油成本 占船 价比例 由８ ０ ％升高至 ５ ５ ０ ％， 船东出于成本的考虑， 也纷纷将 目光投向了那些燃油消耗较低的绿色环保 型船 舶 ， 进一 步 推 动 了绿 色 船 舶 科 技 的发 展 。 目前 市场 上绿色 船舶 采用 的降低 油耗 方 法主要 集 中于优 化船体线型与螺旋桨和推进器改 良， 包括设计 和配 置附体节能装置。例如 ： 消涡鳍、 舵 球、 预旋定 子、
前方适当的位置 ， 使进入螺旋桨的水流反向旋转 ， 改
善螺旋桨进流 ， 以减少尾流的旋转损失 。 １ ． ３ 消涡 鳝 在螺旋桨桨毂上设计小型叶片， 把螺旋桨桨毂 涡流引导为冲向后方的水平 流动并打散毂涡 ， 以减 少涡流损失及尾流旋转能量损失 ； 消涡鳍小叶产生 扭力降低螺旋桨扭矩并产生推力。 １ ． ４ 舵球 螺旋桨根部 由于各桨叶上下面的压力差， 使得 海水离开桨叶根部后在桨毂末端形成一股强劲的涡 流。这股涡流冲击后方舵叶 ， 损坏舵叶表面， 对推进 系统而言 ， 涡流消耗能量 ， 造成能量损失。螺旋桨桨
一种桨前节能导管的水动力性能分析
第３４卷第５期２０２０年１０月 江苏科技大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ） Ｖｏｌ ３４Ｎｏ ５Ｏｃｔ．２０２０ ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０２０．０５．００１一种桨前节能导管的水动力性能分析李冬琴，姜瀚东，张 冲（江苏科技大学船舶与海洋工程学院，镇江２１２１００）摘 要：以一种新式桨前节能导管为主要研究对象，基于ＣＦＤ方法开展了新式桨前节能导管的水动力性能研究．首先对３６００ＴＥＵ集装船和ＫＰ５０５螺旋桨一体的组合系统进行自航仿真计算，并将仿真结果与试验结果对比，验证了文中计算方法的可行性．随后在桨前加装新式节能导管再次进行自航仿真计算，分析新式桨前节能导管对尾流场的影响．结果表明，新式桨前节能导管具有良好的节能效果，其节能效率约为５ ３５％，且明显改善了船尾伴流．关键词：ＣＦＤ方法；自航仿真；新式桨前节能导管；伴流分析中图分类号：ＴＢ３３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７３－４８０７（２０２０）０５－００１－０８收稿日期：２０１９－１０－０９ 修回日期：２０１９－１１－２７基金项目：国家自然科学基金资助项目（５１５０９１１４）；江苏省科技成果转化专项资金资助项目（ＢＡ２０１５０４２）作者简介：李冬琴（１９７９—），女，副教授，研究方向为新船型开发、船舶多学科设计优化．Ｅ ｍａｉｌ：ｍａｎｄｙ＿ｌｄｑ＠１２６．ｃｏｍ引文格式：李冬琴，姜瀚东，张冲．一种桨前节能导管的水动力性能分析［Ｊ］．江苏科技大学学报（自然科学版），２０２０，３４（５）：１－８．ＤＯＩ：１０．１１９１７／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０２０．０５．００１．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｎｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｄｕｃｔｉｎｆｒｏｎｔｏｆｐａｄｄｌｅｂａｓｅｄｏｎｓｅｌｆ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｍｅｔｈｏｄＬＩＤｏｎｇｑｉｎ，ＪＩＡＮＧＨａｎｄｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＣｈｏｎｇ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＮａｖａｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｚｈｅｎｊｉａｎｇ２１２１００，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＣＦＤｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｎｅｗｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｄｕｃｔｉｎｆｒｏｎｔｏｆｐａｄｄｌｅｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ｔｈｅｓｅｌｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｃｏｍｂｉｎｅｄｓｙｓｔｅｍｏｆ３６００ＴＥＵｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐａｎｄＫＰ５０５ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｉｓｃａｒｒｉｅｄｏｕｔ，ａｎｄｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄ．Ｔｈｅｎ，ａｎｅｗｔｙｐｅｏｆｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｃｏｎｄｕｉｔｉｓｉｎｓｔａｌｌｅｄｉｎｆｒｏｎｔｏｆｔｈｅｐａｄｄｌｅｔｏｃａｒｒｙｏｕｔｔｈｅｓｅｌｆ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｇａｉｎ，ａｎｄｔｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｔｈｅｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｃｏｎｄｕｉｔｏｎｔｈｅｗａｋｅｆｉｅｌｄｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｎｅｗｔｙｐｅｏｆｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｃｏｎｄｕｉｔｈａｓｇｏｏｄｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｅｆｆｅｃｔ，ｉｔｓｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｅｆｆｉ ｃｉｅｎｃｙｉｓａｂｏｕｔ５ ３５％，ａｎｄｔｈｅｓｔｅｒｎｗａｋｅｉｓｏｂｖｉｏｕｓｌｙｉｍｐｒｏｖｅｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＦＤｍｅｔｈｏｄ，ｓｅｌｆ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｎｅｗｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｄｕｃｔ，ｃｏｍｐａｎｉｏｎｆｌｏｗａｎａｌｙｓｉｓ 如今，船舶的运营消耗了大量能源，排放了大量的温室气体，导致了众多环境问题．因此，运输船舶如何节能减排成为了造船界的热门话题．随着船舶设计指数（ＥＥＤＩ）和船舶运营指数（ＥＥＯＩ）的执行［１］，对节能技术提出了更高的要求．目前，已经有很多的节能附体被研究出来，如桨后叶轮、整流鳍、桨?帽鳍等［２－４］．螺旋桨前置导管是一种简单、实用、节能效果显著的附体，它可以对螺旋桨进行预旋，从而提高螺旋桨推进效率，改善船尾及桨盘面处的伴流．近几十年来，对于螺旋桨前置导管的研究已经取得了诸多成果，德国教授许内克罗斯（Ｓｃｈｎｅｅｋ ｌｕｔｈ）在２０世纪８０年代首次提出前置导管的概念，随后日本三井公司提出了组合导管推进装置（ＭＩＤＰ），该装置可以为船舶提供１０％～２０％的额外推力；德国贝克尔船舶公司提出了麦维斯导管（Ｍｅｗｉｓｄｕｃｔ）［５－６］，这种导管由桨前补偿导管和预旋导流鳍片组成，在３０艘实船上安装Ｍｅｗｉｓｄｕｃｔ后发现，其平均节能效率约为６ ４％．但是以往对节能导管的研究大多基于实船试验，耗时费力．随着计算机技术的高速发展，更多学者们选择使用计算流体动力学ＣＦＤ（ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ）方法对节能导管的水动力性能进行研究［７－９］．文献［１０］基于ＣＦＤ方法进行了船－桨－扇形导管耦合的自航仿真，分析了扇形导管的工作原理，发现扇形导管的节能效果达到了３ ８５％；文献［１１］利用ＣＦＤ方法，对三类典型前置预旋导管的节能效果进行了评估，提出了新型式节能导管———光芒型导管，并证明了光芒型导管节能效果的优越性，其节能效果约为４ ０７％．通过对各种型式节能导管的研究发现，在常规扇形导管、常规圆形导管、光芒型导管中，光芒型导管的节能效果最佳，预旋范围更大，原因在于光芒型导管拥有长于常规导管的定子，并且光芒型导管的定子之间的攻角不同于常规导管．因此，可知定子之间的长度和攻角对导管的节能效果影响较大．其次，光芒型导管的左侧定子对螺旋桨切向速度的影响优于右侧定子．所以根据导管的工作原理，参照节能效果更好的光芒型导管，提出了一种新式节能导管．通过仿真计算，初步得到新式导管的各项参数，然后研究该参数下新式节能导管的水动力性能．文中基于ＣＦＤ方法，首先对３６００ＴＥＵ集装箱船和ＫＰ５０５螺旋桨［１２］的组合系统进行自航仿真，通过仿真计算结果与试验值对比，验证了数值计算方法的可行性．随后开展对新式桨前节能导管的水动力性能研究，重点评估了新式桨前导管的节能效果，分析了新式桨前节能导管对尾伴流场的影响．旨在为新型式导管的设计与研究提供方法与建议．１ 理论方法１ １ 基本理论数值计算借助商业流体软件ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋，该软件使用惯性坐标系下的不可压Ｎ－Ｓ方程：ｕｘ＋ ｖ ｙ＋ ｗ ｚ＝０（１）ｕｉ ｔ＋ ｘｊ（ｕｉｕｊ）＝－１ρ ｐ ｘｉ＋υ ｘｊ（ ｕｉ ｘｊ＋ ｕｊｘｉ）（２）式中：ρ为流体密度；ｕ为流体质点的速度；ｐ为流体压力；υ为流体的运动粘性系数．湍流模型采用目前流行的ｋ－ε湍流模型．对于自由液面的追踪使用流体体积ＶＯＦ（ｖｏｌｕｍｅｏｆｆｌｕｉｄ）方法，该方法原理是通过研究网格单元中流体和网格体积比函数Ｆ来确定自由面，追踪流体的变化，而非追踪自由液面上质点的运动，其方程为：ａｑ ｔ＋ （ｕｉａｑ） ｘｉ＝０ ｑ＝１，２（３）式中：ａ１、ａ２分别为空气相、水相的体积分数，并定义ａｑ＝０ ５处为自由液面．１ ２ 自航点确定方法基于ＣＦＤ方法将船－桨－新式导管三者耦合后进行自航仿真，采用等航速变转速的方法来计算船模的自航点．由于安装新式节能导管对船模的阻力和螺旋桨的推力产生了影响，所以船模的自航点发生了改变．需要对模型的自航点进行重新确定，即在设计航速Ｖ下，通过改变螺旋桨转速ｎ可以分别得到对应的螺旋桨推力Ｔ、船模阻力Ｒｔ．然后通过摩擦阻力修正公式计算出相应的强制力Ｆｄ．最后绘制推力Ｔ随转速ｎ的变化曲线和船舶阻力与强制力的差值Ｒｔ－Ｆｄ随转速ｎ的变化曲线，两者交点即为该航速下的实船自航点，ｎｍ为自航点转速，Ｔｍ为自航点对应的推力，如图１．图１ 船舶自航点确定方法Ｆｉｇ．１ Ｍｅｔｈｏｄｔｏｃｏｎｆｉｒｍｓｅｌｆ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｐｏｉｎｔ２ 数学模型２ １ 模型建立新式节能导管的导板与定子剖面形状参考荷兰船模试验水池发布的ＮＯ．１９Ａ导管型值［１３］．其安装在桨前左上方，介于螺旋桨与船体之间．新式节能导管由沿周向分布的定子和导板组成［１４］．其特征为导板呈扇形结构、３个定子伸出导板外．从螺旋桨后侧看，左舷从上到下设有第一定子ａ、第二定子ｂ、第三定子ｃ，３个定子长度相等．导板ｄ的背面分别与定子ａ、ｂ、ｃ固定连接．定子ａ、ｂ、ｃ以及导板ｄ的剖面均为机翼型剖面；定子ａ与定子ｂ的夹角β１为３０°，定子ｂ与定子ｃ的夹角β２为３０°．从定子根部往梢部方向看，３个定子的叶面在螺旋桨轴套上的投影与螺旋桨轴套的轴线夹角为α，且２江苏科技大学学报（自然科学版）２０２０年α１、α２、α３均为４°．导板半径ｄ为０ ７Ｒ，定子长度为１ ０４Ｒ，其中Ｒ为螺旋桨半径．以上导管设计参数由仿真计算优化得到（图２）．图２ 新式桨前节能导管剖面模型Ｆｉｇ．２ Ｎｅｗｔｙｐｅｏｆｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｄｕｃｔｃｏｎｄｕｉｔｐｒｏｆｉｌｅｍｏｄｅｌ选用３６００ＴＥＵ集装箱船模为研究对象，配套螺旋桨为ＫＰ５０５，设计航速为２４ｋｎ，此船型公布了大量试验和数值计算结果［１５］，为对比计算结果提供了方便．船模及桨的主要参数见表１、２．表１ ３６００ＴＥＵ集装箱船实船及模型主要参数Ｔａｂｌｅ１ Ｍａｉｎｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓｏｆ３６００ＴＥＵｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐ参数实船模型垂线间长Ｌｐｐ／ｍ２３０７．２７８６型宽Ｂ／ｍ３２．２１．０１９０设计吃水ｄ／ｍ１０．８０．３４１８湿表面积Ｓｗ／ｍ２９４２４９．４３７９设计排水量 ／ｍ３５２０５５１．６４９７方形系数ＣＢ０．６５０８０．６５０８设计航速Ｖｓ／（ｍ·ｓ－１）１２．３４５６２．１９７表２ ＫＰ５０５螺旋桨模型主要参数Ｔａｂｌｅ２ ＭａｉｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＫＰ５０５舵剖面形式桨叶数桨直径／ｍ毂径比盘面比ＮＡＣＡ００１８５０ ２５０ １８０ ８２ ２ 网格划分及边界条件设置选取长方体计算域，网格基础尺寸为０ ３８ｍ，网格总数为２２１万．船模距离进口１ ４Ｌｐｐ，出口边界距离船模２９Ｌｐｐ，左右边界到船模侧面的距离为１ ５Ｌｐｐ，上边界位于水线０ ３Ｌｐｐ处，下边界位于１ ６Ｌｐｐ处．计算网格设置为切割体单元网格，对船体和自由液面进行网格加密．计算域进口处设置为速度进口，出口设置为压力出口，出口处的压力始终保持不变；左右表面和上下表面设置为速度进口．船体、螺旋桨以及新式节能导管设置为混合壁面函数．计算域设置如图３．图３ 计算域设置Ｆｉｇ．３ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｄｏｍａｉｎｓｅｔｔｉｎｇｓ螺旋桨旋转区域设置为一个圆柱域，网格基础尺寸为０ ０７ｍ，网格总数为１４万．其半径为１ １Ｒ，域长为０６５Ｒ．并且旋转域的中心与螺旋桨的中心重合，水流方向为ｘ轴，来流方向为正．新式节能导管与螺旋桨使用同一坐标系．自航模拟将计算区域分为船和桨两个子域．船域为试验水池区域，桨域为船舶尾部螺旋桨区域，其中新式节能导管归于船域．船域与桨域之间设置为滑移网格，用来模拟真实螺旋桨旋转时周围流场的变化．给定螺旋桨初始转速进行自航仿真计算．自航模拟选用ｋ－ε湍流模型，网格总数为２３５万．船－桨－新式节能导管组合模型的部分网格划分如图４．图４ 船－桨－导管组合模型的部分网格划分Ｆｉｇ．４ Ｐａｒｔｉａｌｍｅｓｈｉｎｇａｎｄｏｆｓｈｉｐ ｐａｄｄｌｅ ｄｕｃｔｍｏｄｅｌ３ 数值计算结果与分析３ １ 船－桨组合系统自航数值计算分析基于ＣＦＤ方法对无新式节能导管的船－桨一体系统进行自航仿真．将仿真计算结果与试验结果相对比，验证该仿真方法的可行性，为开展新式节能导管水动力性能研究提供可靠的仿真方法．模型的设计航速Ｖｓ＝２ １９７ｍ／ｓ，通过ＩＴＴＣ经验公式计算出船模设计航速下的强制力Ｆｄ＝３０ ２５Ｎ，然后调节４组螺旋桨转速，使螺旋桨产生的推力刚好等３第５期 李冬琴，等：一种桨前节能导管的水动力性能分析于船阻力减去强制力．仿真计算时长为５０ｓ，步长为变时间步长，取稳定后两秒的时历曲线观察周期性波动（图５）．数值计算结果表３．图５ 自航仿真时历曲线（无新式导管）Ｆｉｇ．５ Ｓｅｌｆ ａｉｒｃｒａｆｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｉｍｅｃｕｒｖｅ（ｗｉｔｈｏｕｔｎｅｗｄｕｃｔ） 从表３可以看出，随着转速增加，船模稳定自航时的螺旋桨推力及桨扭矩逐渐增加，船舶总阻力也随航速的增大而增大．根据表３绘制自航仿真曲线，如图６．通过插值得出在设计航速Ｖｓ＝２ １９７ｍ／ｓ时，自航点转速ｎ＝５７７ ８５５６ｒ／ｍｉｎ、推力Ｔ＝６１ ９３６４Ｎ，推力系数ＫＴ＝０ １７１４，扭矩Ｑ＝２ ７４１５Ｎ·ｍ，扭矩系数ＫＱ＝０ ０３０３．根据相似定理，在螺旋桨敞水表３ 数值自航结果（无新式导管）Ｔａｂｌｅ３ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｅｌｆ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ（ｗｉｔｈｏｕｔｎｅｗｄｕｃｔ）ｎ／（ｒ·ｍｉｎ－１）Ｔ／ＮＲｔ／ＮＱ／（Ｎ·ｍ）５５６５２ ９４９０ ９４２ ３８９５６６５７ ０５９１ ６３２ ５５１５７６６１ １７９２ １２２ ７１２５８６６５ ５４９２ ６４２ ８７８特征曲线上通过插值求得Ｊ＝０ ６９３６，１０ＫＱ０＝０ ３，η０＝０ ６３．则船模实际则船模的实际伴流分数ωｍ＝０ ２３９７，相对旋转效率ηＲ＝１ ０１６１，ｔｍ为推力减额，ηＨ为船身效率，如表４．图６ 自航仿真曲线（无新式导管）Ｆｉｇ．６ Ｓｅｌｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｄｔｅｓｔｃｕｒｖｅ（ｗｉｔｈｏｕｔｎｅｗｄｕｃｔ）表４ 船桨自航实验与仿真结果对比Ｔａｂｌｅ４ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｈｉｐｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓｅｌｆ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｎｄｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｎ／（ｒ·ｍｉｎ－１）Ｊ１－ｔｍ１－ωｍＫＴＫＱη０ηＲηＨηＤ数值计算５７７ ８５５６０ ６９３６０ ８３９７０ ７６０３０ １７１４０ ０３０３０ ６３７１ ０１６１１ １０４４０ ６８８４模型试验５７００ ７２２０ ８５３０ ７９２０ １７００ ０２８８０ ６８２１ ０１１１ ０７７０ ７４０误差／％１ ４－３ ９－１ ６－４ ００ ８５ ２－６ ６－０ ５２ ５－６ ９ 通过表４可以得出：①船－桨组合的自航模拟结果与试验值吻合良好，各项数据误差均在６ ９％以下；②扭矩系数ＫＱ误差较大是因为对模型施加了强制力，螺旋桨的扭矩受到了影响，所以误差加大；③由于螺旋桨推进效率ηＤ与螺旋桨敞水效率η０相关，而η０误差偏大，因此ηＤ误差为６９％．自航模拟总体的结果满足工程精度要求．对比验证的结果说明文中所用的船－桨组合自航仿真的方法是可行的，为讨论船－桨－新式导管组合的自航仿真提供了可靠的方法．３ ２ 船－桨－新式导管组合系统自航数值计算分析 运用仿真方法对新式节能导管的水动力性能进行了数值计算，将计算结果与无新式节能导管的数值计算结果对比，评估出新式节能导管的节能效率，并为伴流分析提供数据支持．４江苏科技大学学报（自然科学版）２０２０年为了方便计算结果的对比，船模选择的航速与上节船模的航速相同，Ｖｓ＝２ １９７ｍ／ｓ，计算得到船模在设计航速下的强制力Ｆｄ依然为３０ ２５Ｎ．仿真计算物理时长ｔ为５０ｓ，时间步长为变时间步长，取稳定后两秒观察曲线周期性波动，如图７．通过周期性曲线得到船模相关数据如表５．图７ 自航仿真时历曲线（有新式导管）Ｆｉｇ．７ Ｓｅｌｆ ａｉｒｃｒａｆｔｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｔｉｍｅｃｕｒｖｅ（ｗｉｔｈｎｅｗｄｕｃｔ）表５ 数值自航结果（有新式导管）Ｔａｂｌｅ５ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｒｅｓｕｌｔｓｏｆｓｅｌｆ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎ（ｗｉｔｈｎｅｗｄｕｃｔ）ｎ／（ｒ·ｍｉｎ－１）Ｔ／ＮＲｔ／ＮＱ／（Ｎ·ｍ）５４０５７ ６７９２ ３９２ ５２１７５４５５９ ８７９２ ６４２ ６０８５５０６１ ９６９２ ８９２ ６８７５５５６４ ０６９３ ０７２ ７６８ 由表５中的各项数据绘制自航试验曲线，如图８．可以通过插值取得自航点转速ｎ＝５５１ ７４７１ｒ／ｍｉｎ，推力Ｔ＝６２ ６７９５Ｎ，扭矩Ｑ＝２ ７１３８Ｎ·ｍ．其余计算结果如表６．图８ 自航试验曲线（有新式导管）Ｆｉｇ．８ Ｓｅｌｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｄｔｅｓｔｃｕｒｖｅ（ｗｉｔｈｎｅｗｄｕｃｔ）表６ 有无新式节能导管自航计算结果对比Ｔａｂｌｅ６ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｓｅｌｆ ｐｒｏｐｅｌｌｅｄｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｉｔｈａｎｄｗｉｔｈｏｕｔｎｅｗｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｄｕｃｔｓｎ／（ｒ·ｍｉｎ－１）Ｔ／ＮＱ／（Ｎ·ｍ）ＫＴＫＱη０ηＲηＨηＤＰＤ无导管５７７ ８５５６６１ ９３６４２ ７４１５０ １７１４０ ０３０３０ ６３７１ ０１６１１ １０４４０ ６８８４１６５ ２有导管５５１ ７４７１６２ ６７９５２ ７１３８０ １９０２０ ０３２００ ６２３１ ００７９１ ２１２８０ ７３２７１５６ ８增量／％－３ ４０１ ２０－１ ０１０ ８５ ６－１ ４０－０ ８９ ８５ ７５ ３５ 对比有无新式节能导管的仿真计算结果可知：①船模在达到同一设计航速时，转速ｎ下降１ ４％，推力Ｔ增加１ ２％，扭矩Ｑ下降１ ０１％．通过计算，螺旋桨敞水效率η０下降１４％，相对旋转效率ηＲ下降０ ８％，但船身效率ηＨ提高了９ ８％，所以总推进效率ηＤ提高了５７％．说明由于新式节能导管的存在，螺旋桨的推进效率提高显著．②在船模稳定自航时，船后螺旋桨接收到的效率ＰＤ下降了５ ３５％，故新式节能导管的节能效率为５ ３５％．３ ３ 新式节能导管对船尾流场的影响对船后尾流及桨盘面伴流进行对比，为分析新式节能导管产生节能效果的原因．计算工况分为加装新式节能导管与未加装新式节能导管，其中航速均选取船模设计航速Ｖｓ＝２ １９７ｍ／ｓ．图９为加装新式节能导管前后船尾流线的变化．对比船尾部的流线可以发现，流线经过节能导管后整体向左偏，这是由于导管和定子安装在左舷并对螺旋桨起到了预旋的作用，说明水流经过节能导管后，改变了水流的方向，可以加速螺旋桨的旋５第５期 李冬琴，等：一种桨前节能导管的水动力性能分析转速率．图９ 有无扇形导管船后流线Ｆｉｇ．９ Ｒｅａｒｖｉｅｗｏｆｔｈｅｓｈｉｐｗｉｔｈｏｒｗｉｔｈｏｕｔｆａｎ ｓｈａｐｅｄｄｕｃｔ图１０为螺旋桨桨盘面各半径处的轴向速度Ｖｘ和切向速度Ｖｔ分布，其中θ为从船尾指向船首的１２点钟位置，定义顺时针方向为正方向．（１）由０ ５Ｒ、０ ６Ｒ处伴流的轴向速度可以看出，９０°～２７０°内安装新式节能导管的曲线与未安装导管的曲线吻合良好．这是由于导管位于螺旋桨左上侧，无法作用到该区域内．（２）新式节能导管的导板在螺旋桨直径的６０％处，因此在０ ６Ｒ～０ ７Ｒ的范围内外部定子与导板相互配合，增加了螺旋桨下部的轴向速度．在２８５°～３６０°范围内安装节能导管的曲线陡降，轴向速度明显变小，这是由于定子的存在，其具有一定的阻流作用．（３）通过０ ５Ｒ、０ ６Ｒ、０ ７Ｒ处的切向速度曲线分布可以看出，节能导管的存在使得螺旋桨切向速变小，且切向速度为负值，意味着水流速度与螺旋桨转动方向相反，增加了螺旋桨的相对转动速度，起到了预旋作用（４）在０～９０°、２７０°～３６０°处切向速度降低明显．证明了安装在螺旋桨左上侧的节能导管预选范围相对较大，对螺旋桨的其他区域也产生了影响．图１０ 桨盘面各半径处切向与轴向速度分布Ｆｉｇ．１０ Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌａｎｄａｘｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｔｅａｃｈｒａｄｉｕｓｏｆｔｈｅｐａｄｄｌｅｓｕｒｆａｃｅ 图１１、１２为有无新式节能导管的桨前和桨后近桨盘面切向速度分部云图，其中深色区域为正值６江苏科技大学学报（自然科学版）２０２０年与螺旋桨旋转方向相同，浅色区域为负值与螺旋桨旋转方向相反，且颜色的深浅表示速度的大小．通过分析可知：（１）对比１１（ａ）和１２（ａ）可知水流在经过螺旋桨后，右上侧的切向速度明显增加．螺旋桨半径内的水流方向与螺旋桨基本一致，螺旋桨右侧存在低速区域．（２）对比１１（ｂ）和１２（ｂ）可得，由于新式安装节能导管，使得左侧出现蓝色区域，说明切向速度明显减小，但是螺旋桨相对水流的转速增加，根据螺旋桨的水动力性能可知螺旋桨相对旋转速度增加而实际速度不变可知，螺旋桨的效率增加．（３）对比１１（ａ）和１１（ｂ），桨前切向速度的高速区域移到了０ ９Ｒ以外的地方，０ ９Ｒ以内的切向诱导速度明显降低，说明节能导管在该处产生了较大的预旋作用，并且成功改善了螺旋桨前左上侧的伴流分布，使得桨盘面左上侧的伴流更加均匀．（４）对比分析桨后切向速度分布云图１２（ａ）、（ｂ），加装节能导管的螺旋桨红色区域减小，螺旋桨后上半部分的切向速度明显下降，表明螺旋桨后尾流旋转速度变小，这可以体现出节能导管有助于降低螺旋桨旋转能量的损失．图１１ 桨前近桨盘面切向速度分布Ｆｉｇ．１１ Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎｅａｒｐａｄｄｌｅｓｕｒｆａｃｅｂｅｆｏｒｅｔｈｅｐａｄｄｌｅ图１２ 桨后近桨盘面切向速度分布Ｆｉｇ．１２ Ｔａｎｇｅｎｔｉａｌｖｅｌｏｃｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｔｈｅｎｅａｒｐａｄｄｌｅｓｕｒｆａｃｅａｆｔｅｒｔｈｅｐａｄｄｌｅ４ 结论基于ＣＦＤ方法对新式节能导管展开水动力性能研究，通过分析螺旋桨接收效率、船后流线、螺旋桨盘面前后伴流，得到：（１）通过分析船桨耦合后的仿真计算结果，对比试验值与仿真值，得到的各项数据误差均在６ ９％以内．说明该仿真计算方法可以很好地模拟在船桨耦合下的船舶自航运动，计算结果能够满足工程精度要求．（２）运用自航仿真的方法，展开新式节能导管的水动力性能研究，结果表明加装新式节能导管的螺旋桨比未加装该导管的螺旋桨收到的功率降低了５ ３５％，即文中的新式节能导管的节能效率约为５３５％．（３）通过分析船后尾流及桨盘面伴流可知，新式节能导管通过其导板和定子引导水流，使水流运动方向与螺旋桨运动方向相反，提高了螺旋桨桨叶相对水流的旋转速度．起到了导流预旋的作用．桨叶相对水流的旋转速度变大，使得螺旋桨推力增加，扭矩减小，提升了螺旋桨接收到的效率．（４）从能量平衡的角度分析，水流流经新式节能导管后，螺旋桨后的切向速度减小，说明该导管降低了螺旋桨在尾流中旋转能量的损失．参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）［１］ 高松．船舶推进节能技术研究与进展［Ｊ］．舰船科学技术，２０１４，９（３１）：２７－３２．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－２１０４．２０１４．３１．２４５７．ＧＡＯＳｏｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｈｉｐｐｒｏｐｕｌ ｓｉｏｎｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ［Ｊ］．ＳｈｉｐＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，９（３１）：２７－３２．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－２１０４．２０１４．３１．２４５７．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［２］ 郭春雨，赵庆新，吴铁成，等．船舶附加水动力组合节能技术研究进展［Ｊ］．舰船科学技术，２０１４，３６（４）：１－１０．ＤＯＩ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－７６４９．２０１４．０４．００１．ＧＵＯＣｈｕｎｙｕ，ＺＨＡＯＱｉｎｇｘｉｎ，ＷＵＴｉｅｃｈｅｎｇ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｏｎｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒａｄｄｉｔｉｏｎａｌｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｉｎｓｈｉｐｓ［Ｊ］．ＳｈｉｐＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１４，３６（４）：１－１０．ＤＯＩ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－７６４９．２０１４．０４．００１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［３］ 李冬琴，郑鑫，李季．可收缩式双尾襟翼帆设计及性能研究［Ｊ］．江苏科技大学学报（自然科学版），２０１７，３１（６）：７０７－７１３．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１７．０６．００３．ＬＩＤｏｎｇｑｉｎ，ＺＨＥＮＧＸｉｎ，ＬＩＪｉ．Ｓｔｕｄｙｏｎｄｅｓｉｇｎａｎｄｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｒｅｔｒａｃｔａｂｌｅｔｗｏ ｔａｉｌｅｄｓｔｅｒｎ ｗｉｎｇｓａｉｌ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈ ｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１７，３１（６）：７０７－７第５期 李冬琴，等：一种桨前节能导管的水动力性能分析７１３．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１７．０６．００３．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［４］ 倪永艳，王雪豹，胡明亮．两用斜流式喷水推进系统研究［Ｊ］．江苏科技大学学报（自然科学版），２０１８，３２（２）：１６３－１６７．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１８．０２．００２．ＮＩＹｏｎｇｙａｎ，ＷＡＮＧＸｕｅｂａｏ，ＨＵＭｉｎｇｌｉａｎｇ．Ｓｔｕｄｙｏｎｄｕａｌ ｐｕｒｐｏｓｅｏｂｌｉｑｕｅｆｌｏｗｗａｔｅｒｊｅｔｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２０１８，３２（２）：１６３－１６７．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２０１８．０２．００２．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［５］ ＭＥＷＩＳＦ，ＧＵＩＡＲＤＴ．Ｍｅｗｉｓｄｕｃｔ ｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐ ｍｅｎｔｓ，ｓｏｌｕｔｉｏｎｓａｎｄｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ［Ｃ］∥ＳｅｃｏｎｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＭａｒｉｎｅＰｒｏｐｕｌｓｏｒｓ．Ｈａｍｂｕｒｇ，Ｇｅｒｍａｎｙ：［ｓ．ｎ．］，２０１１．［６］ ＧＵＩＡＲＤＬ，ＬＥＯＮＡＲＤＳ，ＭＥＷＩＳＦ．Ｔｈｅｂｅｃｋｅｒｍｅｗｉｓｄｕｃｔｃｈａｌｌｅｎｇｅｓｉｎｆｕｌｌ ｓｃａｌｅｄｅｓｉｇｎａｎｄｎｅｗｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｆｏｒｆａｓｔｓｈｉｐｓ［Ｃ］∥ＴｈｉｒｄＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＳｙｍｐｏｓｉｕｍｏｎＭａｒｉｎｅＰｒｏｐｕｌｓｏｒｓｓｍｐ．Ｔａｓｍａｎｉａ，Ａｕｓｔｒａｌｉａ：［ｓ．ｎ．］，２０１３．［７］ 祝启波，王志东，凌宏杰，等．基于滑移网格的带桨水面船自航性能预报研究［Ｊ］．舰船科学技术，２０１６，３８（９）：４２－４８．ＤＯＩ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－７６１９．２０１６．０９．００８．ＺＨＵＱｉｂｏ，ＷＡＮＧＺｈｉｄｏｎｇ，ＬＩＮＧＨｏｎｇｊｉｅ，ｅｔａｌ．Ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｏｆｓｅｌｆ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｆａｓｕｒｆａｃｅｄｓｈｉｐｗｉｔｈｐａｄｄｌｅｂａｓｅｄｏｎｓｌｉｐｇｒｉｄ［Ｊ］．ＳｈｉｐＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０１６，３８（９）：４２－４８．ＤＯＩ：１０．３４０４／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－７６１９．２０１６．０９．００８．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［８］ 姚震球，高慧，杨春蕾．基于滑移网格的带螺旋桨艇体尾流场数值分析方法［Ｊ］．江苏科技大学学报（自然科学版），２００８，２２（２）：１５－２０．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２００８．０２．００４．ＹＡＯＺｈｅｎｑｉｕ，ＧＡＯＨｕｉ，ＹＡＮＧＣｈｕｎｌｅｉ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌａｎａｌｙｓｉｓｍｅｔｈｏｄｏｆｗａｋｅｆｌｏｗｆｉｅｌｄｗｉｔｈｐｒｏｐｅｌｌｅｒｈｕｌｌｂａｓｅｄｏｎｓｌｉｐｇｒｉｄ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＪｉａｎｇｓｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ），２００８，２２（２）：１５－２０．１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－４８０７．２００８．０２．００４．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［９］ ＱＵＥＵＴＥＹＰ，ＤＥＮＧＧ，ＷＡＣＫＥＲＳＪ，ｅｔａｌ．ＳｌｉｄｉｎｇｇｒｉｄｓａｎｄａｄａｐｔｉｖｅｇｒｉｄｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔｆｏｒＲＡＮＳｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｈｉｐ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ［Ｊ］．ＳｈｉｐＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１２，９（２）：４４－５７．ＤＯＩ：１０．１１７９／ｓｔｒ．２０１２．５９．２．００４．［１０］ 支玉昌．船舶扇形导管的水动力性能数值预报分析［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工程大学，２０１７．［１１］ 郭峰山，黄振宇．几类典型的前置预旋导轮节能效果评估［Ｃ］∥第二十七届全国水动力学会议．上海：《水动力学研究与进展》杂志社，２０１５．［１２］ ＣＡＲＲＩＣＡＰＭ，ＦＵＨ，ＳＴＥＭＦ．Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎｓｏｆｓｅｌｆ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｆｒｅｅｔｏｓｉｎｋａｎｄｔｒｉｍａｎｄｏｆｍｏｔｉｏｎｓｉｎｈｅａｄｗａｖｅｓｏｆｔｈｅＫＲＩＳＯｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐ（ＫＣＳ）ｍｏｄｅｌ［Ｊ］．ＡｐｐｌｉｅｄＯｃｅａｎＲｅｓｅａｒｃｈ，２０１１（３３）：３０９－３２０．ＤＯＩ：１０．１０１６／ｊ．ａｐｏｒ．２０１１．０７．００３．［１３］ 翟树成，马艳，郑巢生．大型集装箱船节能导轮设计研究［Ｊ］．中国造船，２０１７，５８（１）：１－９．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－４８８２．２０１７．０１．００１．ＺＨＡＩＳｈｕｃｈｅｎｇ，ＭＡＹａｎ，ＺＨＥＮＧＣｈａｏｓｈｅｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｎｅｎｅｒｇｙ ｓａｖｉｎｇｇｕｉｄｅｗｈｅｅｌｄｅｓｉｇｎｏｆｌａｒｇｅｃｏｎｔａｉｎｅｒｓｈｉｐｓ［Ｊ］．ＣｈｉｎａＳｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ，２０１７，５８（１）：１－９．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－４８８２．２０１７．０１．００１．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１４］ 程宣恺．带节能装置的船模自航实验数值模拟［Ｊ］．船舶与海洋工程，２０１５，３１（１）：２６－３０．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－４０６９．２０１５．０１．００６．ＣＨＥＮＧＸｕａｎｋａｉ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｓｈｉｐｍｏｄｅｌｓｅｌｆ ｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｗｉｔｈｅｎｅｒｇｙｓａｖｉｎｇｄｅｖｉｃｅ［Ｊ］．ＮａｖａｌＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＯｃｅａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１５，３１（１）：２６－３０．ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－４０６９．２０１５．０１．００６．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）［１５］ 李亮，王超，孙帅，等．实船自航试验数值模拟及尺度效应分析［Ｊ］．哈尔滨工程大学学报，２０１６，３７（７）：９０１－９０７．ＤＯＩ：１０．１１９９０／ｊｈｅｕ．２０１５０７０１５．ＬＩＬｉａｎｇ，ＷＡＮＧＣｈａｏ，ＳＵＮＳｈｕａｉ，ｅｔａｌ．Ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｓｃａｌｅｅｆｆｅｃｔａｎａｌｙｓｉｓｏｆｒｅａｌｓｈｉｐｓｅｌｆｐｒｏｐｕｌｓｉｏｎｔｅｓｔ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１６，３７（７）：９０１－９０７．ＤＯＩ：１０．１１９９０／ｊｈｅｕ．２０１５０７０１５．（ｉｎＣｈｉｎｅｓｅ）（责任编辑：贡洪殿）８江苏科技大学学报（自然科学版）２０２０年。
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ｃ．
力性 能进行计算 与 比较 ， 分析舵球 的节能机理 。
Ｃ ２
一Ｒ
（ ４ ）
１ 控 制 方 程 和 湍 流模 型
１ ． １ 控 制方 程
式 中： Ｇ —— 平均速 度梯 度引起 的湍 动能 ；
Ｇ — — 浮力影 响 引起 的湍 动能 ；
— —
针对不 可压 缩流体 ， 其 来自续 性方程 为 ：可 压缩 湍 流脉 动 膨胀 对 总 的耗 散率
的影 响 ；
０
（ １ ）
， —
—
湍动 能 和耗 散率 的有效普 朗
特数 的倒数 。
Ｒ Ａ Ｎ Ｓ方程 为
Ｐ
警＋ 十 ～ Ｐ ＿ ， Ｏ ｘ ＋ 一窘 一 ＋ ＋ 一ｌ 一 Ｐ 警 ＿ ＋ ｐ ＿ ，
第 ３期
船
海
工
程
第４ ２卷
省 了近 ２ ／ ３的时 间 ， 计算 效率提 高 了 ２倍 。 因此 ， 在线加 热成 形温度 场 的数值模 拟 中 ， 可 以采 用加热 线 区域细 密划分 的 网格 代替 原均匀 划
Ｍｌ ｌ Ｂ与均匀 划分 的 网格 Ｍｌ ｌ ， 在计算 温度 场时 具
将螺旋 桨 与舵 当 成 一 个 系统 来 计 算 其 水 动 力 性 能¨ 。舵球 作为一种节 能装 置 ， 投资少 、 安 装方便 ，
采用 Ｒ Ｎ Ｇ 一 ｓ模 型对 雷 诺 平 均 方 程 进 行 封 闭， 该模 型 所 得 到 的 ｋ方 程 和 方 程 与 标 准 一 模 型非 常相似 ：
Ｐ
对各 类新 旧船型都适 用 ， 且 能够取得 理想 的节能效 果， 普遍受到 船东 的欢 迎 。 目前 ， 国 内外 许 多研究
者 已经对螺旋 桨加装 舵 球 的水 动 力性 能做 了较 深
入 的研 究 ， 但还仅 仅 局 限于普 通 螺旋 桨 ， 对 导 管桨 加装 舵球后 的水动力性 能分析较 少涉及 。为此 ， 本
第４ ２卷 第 ３期 ２ ０ １ ３年 ０ ６月
船 海 工 程
Ｓ ＨＩ Ｐ ＆ ０Ｃ Ｅ ＡＮ Ｅ ＮＧＩ Ｎ ＥＥ ＲＩ ＮＧ
Ｖｏ １ ． ４ ２ Ｎｏ． ３
Ｊ ｕ ｎ ． ２ ０ １ ３
Ｄ Ｏ Ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ３ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ６ ７ １ － ７ ９ ５ ３ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ３ ． ０ １ ２
Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ： ｗ ａ ｎ ｇ ｊ ｉ ｄ ｅ ｌ ｅ ｉ ＠１ ６ ３ ． Ｃ Ｏ ｎ ｒ
４８
设计 的舵 球 由两 个部 分 组 成 ： 前 部 分 为半 个
球体 ， 后 部 分 为 同一 圆形 为 底 面 的 圆锥 与 舵 叶 。 通 过布 鲁尔运 算 所得 ， 圆锥 的高 度 为 圆心 至舵 叶
警 ＝ ｆ 【 （ ） １ Ｊ ＋ 扎 Ｇ ＋ 扎 Ｇ ６ 一 Ｐ 一
（ ３ ）
＝
文针 对 ４ ２ ｍ 拖 网渔船 的导 管螺 旋桨 及其 舵 ， 利用
Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 软件 ， 对加 装舵 球前 后 ， 导管 桨． 舵 系统 水动
ｐ
［ （ ） 塞 】 ＋ 詈 （ Ｇ ＋ Ｇ ） 一
４ ． ９ ５ ｍ ， 展弦 比为 ２ ． ２ 。
资助项 目： 浙江省大学生科技创 新活动计 划 （ 新 苗 人 才计 划 ） （ ２ ０ １ ２ Ｒ ４ １ １ ０ ４ ０ ） 第一作者简介 ： 王 贵彪 （ １ ９ ８ ６一） ， 男， 硕 士 生 研究方 向： 渔船 装 备 与技 术
型， 计算导管桨一 舵系统 的水动力性能 。设计一种节能舵球 ， 计算安装舵球后桨一 舵一 舵球 系统 的水动力性能 ， 研 究节能效果与进速系数之间的关系 ， 分析导管桨尾流场 ， 探讨舵球节能 的机理 。 关键词 ： 导管桨 ； 舵； 节能舵球 ； 系统 ； 水动力性能
中图 分 类 号 ： Ｕ ６ ６ ４ ． ３ １ 文 献标 志码 ： Ａ 文章 编 号 ： １ ６ ７ １ — ７ ９ ５ ３ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ３ － ０ ０ ４ ８ — ０ ４
（ ２）
收 稿 日期 ： ２ ０ １ ２—１ １ —１ ５
修 回 日期 ： ２ ０ １ ２—１ ２— ２ ８
２ 计 算 的 前 处理
２ ． １ 几何模 型 的建立 与网格 划分
计算选 取模 型为 ４ ２ ｍ拖 网渔船 的 Ｋ ａ ４ － ５ ５型 导管 桨和 Ｎ Ａ Ｃ Ａ ． １ ８剖 面 的舵 ， 其参 数分 别 为直 径 ３ ｍ， 毂径 ０ ． ４ ８ ｍ ｍ， 螺距 ４ ． ２ ６ Ｉ ｎ ， 盘面 比 ０ ． ５ ５的 导管 桨 ； 舵 尺寸 要素 为 ３ ． ３ ｉ ｆ ｌ ｍ ×１ ． ５ ｍ ｍ， 面积 为
螺旋桨 作为船 舶上 应用 最 为广泛 的一种 推进 器， 其水动 力性能不仅与其 本身 的要 素 、 船体 、 主机
有关 ， 而且 还受 到螺 旋 桨后 舵 的影 响 。因此 ， 必 须
式中： —— 雷诺 平均 速度 ；
— —
脉动速 度 ；
Ｐ ｕ —— 雷诺 应力 。
１ ． ２ 湍流 模型
有相 同的精 度 ， 但 计算 效率 提 高 了 ２倍 。因此 ， 在 线加热成形温度 场分析 中， 仅需对加热线 附近 的网
分 的网格 。这样 既 可 以保 证 计 算 的精 度 ， 又 能 节
格进行细密划分 ， 以节省 计算 时间 ， 提高计算效率 。
导 管 桨 加装 节 能舵 球 的水 动力 性 能计 算 分 析
王贵彪 ， 谢 永和
（ 浙江海洋学院 ａ ． 水产学院 ， ｂ ． 船舶与建３ ’ ） Ｌ － Ｙ － 程 学院 ， 浙江 舟 山 ３ １ ６ ０ ０ ４ ）
摘
要： 针对 ４ ２ ｍ拖 网渔 船导管 桨和舵 ， 利用 Ｃ Ｆ Ｄ商 业软件 Ｆ ｌ ｕ ｅ ｎ ｔ 提供 的 Ｍ Ｒ Ｆ法和 Ｒ Ｎ Ｇ ｋ － ｅ湍流模