三體風電運維船船槳耦合作用尾流場數值仿真研究

謝云平，王 勇，趙子健，吳海紅，陳海健

(江蘇科技大學 船舶與海洋工程學院，江蘇 鎮江 212100)

0 引 言

我國幅員遼闊，擁有漫長的海岸線，風能資源可開發量十分可觀，蘊含著巨大的潛力，5～55 m水深、70 m高度海上風電開發潛力約5×10kW，其中5～25 m水深風電開發潛力約1.9 ×10kW。近年來我國大力發展海上風電并取得了不俗的成績，發展水平雖然距世界前二英德兩國有一定距離，但是差距在逐年縮小。隨著海上風電的不斷發展，為了更好地滿足風機運行維護的需要，對于風電運維船也提出了更高的要求，尤其是在安全性、快速性、舒適性等方面。針對這種情況，本文對幾種側體幾何形狀三體風電運維船方案，采用船槳耦合作用自航方法，進行尾部流場（伴流分數）數值仿真相關研究，以獲得快速性能更好的側體橫剖線方案。

1 船、槳要素與模型

1.1 三體船主要要素與模型

三體風電運維船由1個主體和2個側體構成，其主要參數見表1?；灸Ｐ腿鐖D1所示，三體船船模和實船比例為1∶10。

為了研究側體橫剖線形狀對三體船尾部流場的影響，在基本模型的基礎上，保持側體要素、排水體積及浮心縱向位置不變的，參照文獻[1]，建立3個側體形狀不同的模型，分別為上U下V型、V型、緩和V型，將基本模型確定為方案1，其余模型分別命名為方案2、方案3、方案4。

1.2 螺旋槳要素與模型

三體風電運維船為雙機雙槳船。根據三體船的阻力性能（基本船模）和主機相關參數，利用MAU型槳圖譜以及槳軸浸深資料，得到螺旋槳參數（見表2），為螺旋槳伸張面積，/為最佳盤面比，為螺旋槳螺距，為螺旋槳直徑，/為螺距直徑比。

表1 三體風電運維船船型參數Tab. 1 Wind power maintenance trimaran data

圖1 基本模型一般視圖Fig. 1 General view of the trimaran model

圖2 各方案視圖Fig. 2 Views of each scheme

表2 螺旋槳要素Tab. 2 Propeller elements

由確定的螺旋槳參數，根據螺旋槳葉切面型值，通過SolidWorks建立槳葉模型（見圖3），并結合槳轂幾何尺寸，形成螺旋槳模型（見圖4）。

2 螺旋槳敞水性能數值仿真與分析

2.1 設定流體域

圖3 槳葉模型Fig. 3 Model of propeller blades

圖4 螺旋槳模型Fig. 4 Model of propeller

螺旋槳敞水性能的計算有多種方法，本文選用CFD方法，利用STAR-CCM+軟件對其進行計算。在進入STAR-CCM+軟件后，將建立好的螺旋槳模型導入其中，導入完成后利用軟件對模型進行檢查，確保在檢查過程中螺旋槳表面無雜亂線條，同時還要觀察槳葉與槳轂連接處，保證該處沒有黑色細線，螺旋槳模型滿足較為光滑條件(見圖5)。

圖5 STAR-CCM+中的螺旋槳幾何模型Fig. 5 Propeller geometric model in STAR-CCM +

螺旋槳性能受多種因素的影響，為了最大程度降低流場邊界對其影響，將流域設置為一圓柱體區域，該圓柱體區域直徑為9（螺旋槳直徑），長度為14，在設置流域時應確保螺旋槳在圓柱體截面圓心，距離圓柱體上下底面均為7，將該圓柱體流域命名為圓柱1。完成圓柱1流域設置后新建圓柱2流體域，圓柱2流體域需將螺旋槳包括在內，要注意圓柱2橫截面圓心應與圓柱1橫截面圓心相同。設置好的流體域如圖6所示。

2.2 劃分網格

圖6 流體域Fig. 6 Fluid domain

在對螺旋槳進行網格劃分時，需要特別注意靜流域和旋轉域。在進行計算時，旋轉域十分重要，所以對該區域要進行網格加密，而靜流域的網格密度可以相對稀疏，因為其重要性較低，這樣設置的目的是保證計算精度，同時降低計算所需要的時間。在對靜流域網格進行設置時，將基本尺寸設置為0.1 m，棱柱層數設為3層。完成上述操作后，還要對靜流域圓柱進行額外操作，對其添加自定義控制，取目標表面尺寸和最小表面尺寸的基數百分比為500。在旋轉域網格進行設置時，可以參照靜流域網格的基本尺寸，取為0.1 m，棱柱層也設置為3層，平均值為40。需添加2個對旋轉域圓柱的自定義控制，控制旋轉域圓柱需要注意目標表面尺寸和最小表面尺寸之間的基數百分比，將其設置為200，除此之外對于計算區域也要適當對其進行加密；同樣對于控制螺旋槳模型，螺旋槳槳葉也要進行網格加密，需要注意的是槳葉的旋轉曲面，因為其結構特性導致在對其進行網格劃分時更為復雜，該區域是重點區域，在對螺旋槳進行網格劃分時需要格外關注。在對槳葉節點進行設置時也需要注意，將邊界增長率設置為快，表面曲率設置為72，表面尺寸2個節點取基數百分比為5。最后還要對葉片邊緣進行加密，取表面尺寸基數百分比為2。在完成網格劃分后，對網格進行初始化即可生成網格，如圖7所示。

2.3 邊界條件

在完成網格劃分生成體網格后，在接下來的一系列設置中分別對應選擇三維、隱式不定長、液體、分離流、恒密度、湍流、-Epsilon湍流，設置好后關閉連續體。還要分別設置速度出口與速度入口，速度出口選取正對槳葉方向的圓面，相應的將正對葉背方向設為速度入口，對稱平面則選擇圓柱面。完成上述操作后新建運動-旋轉，確定坐標系的原點，軸方向的確定則需要依靠右手定則，此外還要設置旋轉速率。在完成相關設置之后，想要使得螺旋槳轉動，還要完成一項關鍵步驟，即在旋轉區域中將物理值-運動規范選擇為旋轉。

圖7 螺旋槳與流體域網格Fig. 7 Propeller and fluid domain grids

2.4 敞水性能數值仿真結果與分析

首先完成預先設置場函數，而后新建各報告表達式，最后選中上述報告，完成上述操作后創建監視器和繪圖。選擇合適的迭代頻率十分重要，迭代頻率設置為500，初始化求解后運行該模擬，即可得到圖8和圖9的數值模擬結果。

圖8 進速系數繪圖Fig. 8 Drawing of advance coefficient

圖9 敞水系數總圖Fig. 9 General chart of open water coefficient

可知，對于螺旋槳敞水性能數值仿真采用的CFD方法可行、有效。該方法較好地模擬螺旋槳敞水試驗，得到了螺旋槳的敞水性能，為尾流場的數值仿真做了良好的鋪墊。

3 尾流場數值仿真及分析

3.1 伴流及其獲得方法

在船舶行進的過程中，螺旋槳與船體相互影響。螺旋槳工作時因轉動產生的速度場與船舶航行產生的速度場會相互干擾，從而造成螺旋槳進速不等于船速。二者之間關系可表示為：

圖10 敞水仿真數值對比圖Fig. 10 Open water simulation data comparison chart

式中：V為螺旋槳進速，ω為伴流分數，為船速。

船后伴流的速度場十分復雜，主要表現為其在螺旋槳盤面處各點的速度大小和速度方向都不相同，一般將伴流速度場分為相對于螺旋槳的軸向速度、周向速度和徑向速。由于軸向伴流速度數值上要比周向伴流速度和徑向伴流速度大得多，所以一般提到的伴流實際上是指軸向伴流。

伴流的數值多采取試驗法獲得，根據不同的測量方法可以將其分為標稱伴流和實效伴流。由船模自航試驗測得的伴流分數最為可靠，但考慮到時間及成本因素，在進行螺旋槳設計時往往利用經驗公式來估算，而估算的誤差勢必對船、機、槳的匹配帶來一些影響。為此，利用船模、槳模來進行船后尾流場（伴流）的數值模擬顯得較為高效、經濟。

3.2 三體風電運維船尾流場數值仿真及分析

3.2.1 建立船體-螺旋槳模型

利用SolidWorks軟件將螺旋槳安裝至方案一模型船艉，安裝完成后進行接縫檢查，確保模型光順后導出該模型iges文件，將iges文件導入到軟件STAR-CCM+中，如圖11和圖12所示。

圖11 方案1船體-螺旋槳模型Fig. 11 Scheme 1 ship - propeller model

圖12 方案1船體-螺旋槳模型后視圖Fig. 12 Scheme 1 hull - propeller model back view

3.2.2 控制域和網格劃分

在將船體-螺旋槳模型導入軟件后，接下來要進行控制域的確定以完成后續計算。在空間位置上，螺旋槳進行敞水系數計算劃分的圓柱形控制域被三體船模型阻力仿真的矩形控制域包裹，故對尾流場進行數值仿真的控制域與矩形控制域相同，對自由液面和船體的加密區域也參照進行阻力仿真時的設置，由于船體-螺旋槳模型新增了螺旋槳部分，需要對新增加的螺旋槳部分進行加密。最終網格劃分如圖13和圖14所示，總網格數為130萬左右。

3.2.3 相關設置及計算結果

計算時將整個流域分為船體和螺旋槳2個部分，利用CFD軟件結合隨體網格技術還有自航宏文件可以實現船舶自航的數值模擬。首先要確定目標速度V，目標速度確定后可以計算得到該速度下的船體摩擦阻力修正值，對船體-螺旋槳模型施加強制力，在目標速度下進行自航模擬。在模擬過程中，船體-螺旋槳模型受到螺旋槳產生的推力、施加的強制力以及船體阻力，根據受力情況調整螺旋槳轉速，達到螺旋槳推力=R-的平衡狀態，仿真得到方案一的自由液面興波圖（見圖15），其波形符合凱爾文波系形狀。

圖13 方案1自航網格劃分Fig. 13 Scheme 1 self-propelled grid division

圖14 方案1船體-螺旋槳模型側視圖網格Fig. 14 Scheme 1 side view grid of hull - propeller model

圖15 自由液面興波圖Fig. 15 Free surface wave chart

在上述各方案中，同一方案中的2個螺旋槳完全相同，本文僅取左槳伴流場，圖16為其在/=0.5，/=0.6和/=0.7處的軸向速度場。

圖16 方案1軸向速度場Fig. 16 Scheme 1 axial velocity field

根據仿真結果可得方案1在船體-螺旋槳模型速度為3.09 m/s時螺旋槳轉速為42.7 r/s。根據數值模擬結果所得的船模阻力，螺旋槳轉速，螺旋槳推力等，通過與螺旋槳敞水試驗仿真結果比較分析，可以得到方案1伴流分數0.064，利用伴流分數的近似公式計算值為0.06，仿真分析值與計算值誤差為6.67%，結果較為可靠，其余各方案伴流分數采取和方案1相同方法求得，具體數值見表3。

表3 各方案伴流分數值Tab. 3 The wake fraction values of each scheme

4 結 語

通過對4個側體幾何形狀不同的三體風電運維船與螺旋槳組合模型方案進行自航試驗模擬，并與螺旋槳敞水試驗結果比較分析，可以得到以下結論：

1）螺旋槳敞水性能仿真結果較為可靠，仿真方法可行、有效。

2）通過自航模擬與螺旋槳敞水試驗模擬結果分析確定伴流分數可行。

3）方案4螺旋槳轉速最小，船體-螺旋槳模型阻力最小，同時各方案伴流分數相差不大，經綜合考慮方案4為最佳方案。