基于CFD 的电力推进系统机桨匹配特性研究

2023-03-25孙国亮苏朝君周鋆玲

舰船科学技术 2023年4期

孙国亮，苏朝君，周鋆玲，韩璐

(1. 中国卫星海上测控部，江苏江阴 214431；2. 上海船舶设备研究所系统总体部，上海 200031)

0 引言

船舶推进系统设计时，理论上配合点即100%负荷和100%转速的MCR 点，但船舶营运一段时间后由于船体表面、螺旋桨表面附着海生物、腐蚀，同时海洋水流、风浪以及航道变浅变窄等因素也会引起船体阻力增加，船舶航速就会降低。因此在新造船舶螺旋桨设计时需要考虑实际运行情况以消除设计偏差，这需要根据实船的阻力变化规律进行机桨匹配储备设计，负荷点的选择直接影响螺旋桨和原动机的匹配问题。近年应用推进电机驱动的船舶越来越多，推进电机由变频器驱动，具有恒扭矩/恒功率运行的能力，电力推进系统的机桨匹配设计可以应用功率储备，也可以转速储备设计。

国内船舶电力推进应用尚处于起步阶段，多集中于吊舱式电力推进理论研究。刘波[1]通过应用编程和仿真工具Simulink 对电力推进的船机桨匹配进行静态和动态分析；张伟[2]通过UG 建模，利用CFD 技术对吊舱推进器的水动力性能进行模拟分析；秦业志[3]利用常规螺旋桨等效设计吊舱螺旋桨的方法，用Lab-VIEW 编程语言开发船机桨匹配分析软件，优化匹配设计方案；胡兴富[4]通过螺旋桨推进和交流电机的推进特性分析，对勘探312 船不同工况下的机桨匹配问题进行了研究。

国内对于异步电机带定距桨推进系统的机桨匹配研究较少，本文采用数值模拟方法开展某型电力推进船舶机桨匹配设计，充分考虑长期运营后的污底影响，分析对比了2 种螺旋桨设计下的实船模拟效果，对于直轴电力推进系统设计具有借鉴意义。

1 研究对象及建模

本文研究对象船船型参数和螺旋桨数据如表1 所示。

表1 船型主要参数Tab. 1 Main parameters of ship type

根据船型、推进电机、螺旋桨和附体参数，建立船体及附体三维几何模型，形成的全附体模型如图1 所示。

图1 全附体船体几何模型Fig. 1 Fully attached hull geometry model

2 船舶污底增阻数值模拟

2.1 污底等级与粗糙度定义

船舶污底通常分为软污垢和硬污垢，软污垢通常是藻类，粘质物粘液和草类，对涂层系统和船舶性能的影响最小。具有钙质结构的硬污垢更顽强，可能会损害船舶和涂层系统的性能。复合污垢包括硬污垢和软污垢生物，对船舶的性能、涂层和机械系统极为不利[5-6]。

根据美海军舰艇技术手册中描述[7]，污底可以划分为0～100 污底等级，数值越大表明污底情况越严重。其中0～30 为软质附着物，草状附着物长度短于76 mm高度不超过6.4 mm，40～90 为硬质，100 为软硬复合附着物是最为严重的。40～60 的钙化物直径或高度小于6.4 mm。70～80 则高于6.4 mm，并出现重叠生长。在船舶日常运营中应当周期性检查船体污底，当污底等级为50 时需要入坞进行全面清理，因此本文数值模拟将只考虑污底等级0～50 之间的情况。

根据涂层粗糙度和生物淤积对船舶阻力和动力的影响研究结果[8]，污底等级与等效粗糙度的关系如表2所示。

表2 污底等级与等效粗糙度关系Tab. 2 Relationship between fouling grade and equivalent roughness

数值模拟只考虑污底等级0～50，因此对应的粗糙度考虑0～1 000。按照文献对应的状态和污底等级对等效粗糙度0，30，100，300，1 000 进行实尺度阻力计算，数值计算分别在航速24 kn 和26 kn 下开展。

2.2 污底增阻数值计算

2.2.1 计算域划分与网格生成

计算域为立方体，半船模型位于计算域中部。边界条件为：来流面设为速度入口，出口面设为压力出口，侧面为对称面，底部和顶部为滑移壁面，对称面亦设为对称面，对称面位于船体中纵剖线。水流从x正方向流动到x负方向。

网格划分采用非结构化网格，网格为切割体，在自由液面附近加密，船体周围网格密集，远离船体方向网格较为稀疏。

2.2.2 数值模拟设置

数值模拟计算采用STAR-CCM+软件，控制方程为连续性方程和动量方程，对控制方程进行有限体积法离散，采用雷诺平均法作为湍流数值模拟方法（RANS）；计算采用Simple 算法，采用可实现K-Epsilon 湍流模型，流体为不可压缩恒密度流体，自由液面用VOF 方法捕捉。

本次计算在实船尺度下进行，污底增值数值模拟形成结果如表3 所示。

表3 污底增值数值模拟计算结果Tab. 3 Relationship between fouling grade and equivalent roughness

在污底等级为50 时，26 kn 相比无污底增阻25.4%，而24 kn 时增阻28.2%。

在污底等级为30 时，26 kn 相比无污底增阻15.6%，而24 kn 时增阻17.3%。

与文献[8]描述的情况类似，低速时增阻较多，原因可能是低速时摩擦阻力占比重较大而高速时兴波阻力占比重较大。数值模拟的后处理波形图如图2 所示。

图2 波形图（实尺度）Fig. 2 Waveform diagram (real scale)

3 数值水池虚拟试验

数值水池虚拟试验分为敞水、阻力、自航三部分，试验结果处理与实体的物理水池一致。

数值模拟计算采用STAR-CCM+，控制方程为连续性方程和动量方程，对控制方程进行有限体积法离散，采用雷诺平均法作为湍流数值模拟方法（RANS）；计算采用Simple 算法，采用可实现K-Epsilon 湍流模型，流体为不可压缩恒密度流体。

3.1 敞水虚拟试验

分别设计2 种螺旋桨，用于比较考虑转速储备后的机桨匹配特性。

1）常规桨

常规桨（代号1 711）即考虑新船工况下，电机功率与转速都运行在设计点的螺旋桨。根据船体阻力数据，此常规设计螺距比为1.32。

2）优化桨

优化桨（代号1711m）即考虑新船工况下，电机额定功率下转速高于额定转速5%以上。优化桨设计螺距为1.22，比常规桨螺距比低。

计算域为立方体，桨模3D 模型位于计算域中部。边界条件为：来流面设为速度入口，出口面设为压力出口，侧面为对称面，底部和顶部为滑移壁面，另一侧亦设为对称面。水流从x正方向流动到x负方向。

在桨模周围的圆柱型区域可以旋转，旋转域与立方体的大计算域进行数值交换。

外部边界距离螺旋桨足够远，可以认为基本不会产生影响。分别对代号1 711 螺旋桨和代号1711 m 螺旋桨进行数值模拟。

图3 两类螺旋桨侧视图Fig. 3 Side view of two types of propeller

图4 网格划分Fig. 4 Mesh generation

网格划分采用非结构化网格，网格为切割体，在交接面附近加密，桨叶周围网格密集，远离桨叶方向网格较为稀疏。常规桨模型敞水试验结果如表4 所示。

表4 常规桨模型敞水特性Tab. 4 Open water characteristics of conventional propeller model

J=0.95 时常规桨压力面、吸力面积速度场后处理图如图8 和图9 所示。

图5 J=0.95 时常规桨叶压力面与吸力面Fig. 5 When J=0.95, blade pressure surface and suction surface ofconventional propeller

图6 J=0.95 时常规桨前后速度变化与速度场Fig. 6 When J=0.95, velocity variation and velocity field of conventional propeller

图9 自航时螺旋桨旋转域展示Fig. 9 Display propeller rotation field when ship is sailing

优化桨模型敞水特性结果如表5 所示。

表5 优化桨模型敞水特性Tab. 5 Open water characteristics of optimized propeller model

J=0.95 时优化桨压力面、吸力面积速度场后处理图如图7 和图8，后处理图如图10 所示。

图7 J=0.95 时优化桨叶压力面与吸力面Fig. 7 When J=0.95, blade pressure surface and suction surface of optimized propeller

图8 J=0.95 时优化桨前后速度变化与速度场Fig. 8 When J=0.95, velocity variation and velocity field of optimized propeller

图10 自航时的网格划分Fig. 10 Meshing during self - navigation

3.2 阻力虚拟试验

与实尺度阻力数值模拟类似，模型尺度阻力计算域为立方体，半船模型位于计算域中部。边界条件为：来流面设为速度入口，出口面设为压力出口，侧面为对称面，底部和顶部为滑移壁面，对称面亦设为对称面，对称面位于船体中纵剖线。水流从x正方向流动到x负方向。

与实尺度阻力数值模拟类似，网格划分采用非结构化网格，网格为切割体，在自由液面附近加密，船体周围网格密集，远离船体方向网格较为稀疏。

虚拟试验结果如表6 所示。

表6 模型阻力虚拟试验结果Tab. 6 Results of virtual test of model resistance

3.3 自航虚拟试验

与阻力数值模拟类似，模型尺度阻力计算域为立方体，全船模型位于计算域中部。边界条件为：来流面设为速度入口，出口面设为压力出口，侧面为对称面，底部和顶部为滑移壁面，对称面亦设为对称面，对称面位于船体中纵剖线。水流从x正方向流动到x负方向。

与实尺度阻力数值模拟类似，网格划分采用非结构化网格，网格为切割体，在自由液面附近加密，船体周围网格密集，远离船体方向网格较为稀疏。

自航时的网格划分，螺旋桨、船体周围较为密集，远场较为稀疏。

优化桨转速高于常规桨，与预期一致，二者伴流分数和推力减额基本一致。

优化桨轴纵剖面速度场后处理图如图11 所示。

图11 优化桨轴纵剖面速度场Fig. 11 Velocity field in longitudinal profile of optimized propeller shaft

3.4 实船预报

数值模拟的分析方法与物理水池试验一致。

表7 常规桨自航虚拟试验Tab. 7 Virtual experiment of conventional propeller self - navigation

污底增阻发生在实船尺度上，因此预报过程中模型值不变，将增阻增加在实船的阻力系数上。Cp=1.000，Cn=1.000 实船航速预报结果如表9～表14 所示：

表9 常规桨实船预报结果Tab. 9 The forecast results of conventional propeller

表14 优化桨25%增阻实船预报结果Tab. 14 The forecast results of optimized propeller 25% increase resistance

综合上述各表数据，对预报结果绘制转速-功率趋势图,如图12 所示。

可以看出：

1）常规桨（代号1 711）在转速约280 r/min，在无污底时航速为26.30 kn；在25%增阻的情况下，推进电机降功率运行，螺旋桨转速在约266 r/min，常规桨航速为24.45 kn。

2）优化桨（代号1711 m）在转速约294 r/min，在无污底时航速为26.25 kn；在25%增阻的情况下，推进电机恒功率运行，螺旋桨转速在约286 r/min，常规桨航速为24.75 kn。

转速功率图分析，表明本次数值模拟中常规桨对比优化桨，降速分别为1.85 kn 和1.5 kn，优化桨减小航速降为0.35 kn（为0.35/1.5=23.33%）。这是由于常规桨在增阻后曲线向左移动，从而导致推进电机无法在额定功率下运行，而优化桨在曲线左移后推进电机依旧可以在额定功率运行。

表10 常规桨20%增阻实船预报结果Tab. 10 The forecast results of conventional propeller 20% increase resistance

表11 常规桨25%增阻实船预报结果Tab. 11 The forecast results of conventional propeller 25% increase resistance

转速储备，即轻转裕度（light running margin）指考虑到新船在未来使用条件下吸收100%主机功率时螺旋桨转速的余量，国际拖曳水池协会ITTC 建议预留5%～7%[9]。因而可以利用电机设定的超过额定转速之后恒功率的特性，在电机配合定距桨的时候预留较大的轻转裕度。建议在7%以上，但也不宜过大，过大的轻转裕度将会使得设计出的螺旋桨敞水效率下降。