0 引　言

当前，全球经济面临转型，船舶的经济性能较以往显得更加突出，由于船舶能耗对航运企业的盈利影响显著，故而船舶能耗成为船东非常关心的指标之一。另一方面，由于运力极大，船舶航行会产生大量温室气体和污染物，采用船舶运输必须要更多地考虑对环境的影响。近年来，国际社会环保呼声越来越高，加强对船舶运营废弃物排放和船舶解体废弃物的控制受到了越来越多的关注。2011年7月MEPC第62次会议上，国际海事组织IMO对船舶的二氧化碳排放提出了控制要求，船舶能效设计指数EEDI到2019年要比基线下降10%，到2024年要下降20%，2025年及以后要下降30%^[1]。在船舶上应用节能技术是有效降低船舶主机燃油消耗进而减少有害物质排放的重要手段。水动力节能装置（Energy Saving Device，ESD）作为安装在船上的一种附体，具有几何结构简单、安装方便、节能效果明显等优点，受到广大船东的青睐^[2]。早期，一般通过模型试验来验证评估水动力节能装置的节能效果，开发周期长，且成本较高。而近年来，CFD方法已逐渐成为船舶水动力性能分析的重要工具^[3]。

前置预旋导轮（PSV）是一种由导管和定子组合而成的水动力节能装置，装于螺旋桨前方的船体上，图1为前置预旋导轮实船应用照片。前置预旋导轮以较小的阻力为代价，产生预旋进流以降低螺旋桨尾流的旋转能量损失，从而提高了螺旋桨的推进效率^[4]。前置预旋导轮的实船应用越来越多^[5]，其良好的节能效果已得到了众多模型试验和实船测试的验证，然而对该组合式节能装置各部分的分析却报道较少。本文旨在通过CFD方法，结合模型试验结果，分析前置预旋导轮（后文简称导轮）各部分对其节能效果的影响。

1 节能装置设计

本文选取了一条7万吨级油船，该船型主要参数见表1。根据该船尾部的型线和螺旋桨参数，利用CFD方法优化设计了桨前水动力节能装置——导轮。模型缩尺比31.185，计算船模速度为1.2574 m/s（对应实船14.5 kn），桨模直径为216 mm。导轮可以看成由导管和定子2个部分构成，为了便于分析本文将其拆分为2种节能装置，分别为导管和定子，如图2所示。其中导管和定子的参数都与导轮的对应部件相同，从阻力及自航性能方面对原型和这2种节能装置加以分析。

2 数值方法 2.1 控制方程

本文的数值计算采用商用流体力学软件进行^[6]，控制方程为惯性坐标系下的不可压缩Navier-Stokes方程：

$ \frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_i}}} = 0 {\text{，}} $

(1)

$\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial t}} + \frac{{\partial {u_i}{u_j}}}{{\partial {x_j}}} = {\rm{ - }}\frac{{\partial p}}{{\partial {x_i}}} + \frac{1}{{Rn}}\frac{\partial }{{\partial {x_{\rm{i}}}}}\left( {\frac{{\partial {u_i}}}{{\partial {x_j}}} + \frac{{\partial {u_j}}}{{\partial {x_i}}}} \right) + \frac{\partial }{{\partial {x_j}}}\left( { - \overline {{{u'}_i}{{u'}_j}} } \right) {\text{。}} $

(2)

其中： ${u_i}$ 是速度分量的雷诺平均值， $j$ （ $j$ ）=1,2,3表示不同方向； ${x_i}$ 为坐标分量； $Rn$ 为雷诺数； $ - \overline {{{u'}_i}{{u'}_j}} $ 为雷诺应力项。选用SST k-w湍流模型封闭式（2）中的雷诺应力项^[7]。

2.2 计算域网格及求解方法

考虑到节能装置附体对船体兴波阻力的影响甚微^[8]，本文采用叠模进行计算，不带自由面。计算域为半个圆柱，船首向前延伸1倍船长为流场入口，船尾向后延伸1.5倍船长为流场出口。为了实现高效的优化设计和计算，所有算例均采用结构网格和非结构网格相结合的混合网格划分形式（见图3），第2层网格y+值约为23。为了尽可能减少网格变化带来的影响，所有算例中，除船尾区域的网格改变外，其他部分的网格形式保持不变^[9]。

采用有限体积法对三维不可压缩RANS方程进行离散，其中对流项以2阶迎风格式离散，扩散项采用中心差分格式离散。由于不可压缩流体在数值计算过程中速度和压力无法同时求解，计算中采用基于交错网格的半隐式SIMPLEC方法进行耦合求解，适当调整松弛因子，以实现较好的数值稳定性。文献[10]表明该方法能有效预报节能装置的节能效果。

3 计算结果分析

对该船原型以及带不同节能装置进行阻力及自航数值计算，从阻力、节能效果、船尾表面压力分布、螺旋桨进流4个方面对计算结果进行讨论。

3.1 节能装置附体对船模阻力的影响

在完成阻力计算后，对受力情况按照船体部分和附体部分进行分解，如表2所示。相对于原型，加装节能装置附体后，船体本身的阻力均有所下降。从总阻力来看，带导轮和带定子的总阻力增加均0.1%左右，而带导管总阻力则下降0.4%。

3.2 节能装置附体的节能效果评估

保持航速不变，通过计算螺旋桨不同转速下的船体、桨、舵及节能装置附体受力，并将其插值到理论强制力的平衡点，可分析各部分的水动力性能^[10]。表3列出了各算例模型自航点的各部分受力情况。以收到功率P_Dm的变化来评估不同节能装置相比原型的节能效果，通过比较可以看到，在相同航速下，导轮和定子的节能效果均达到了3%以上，而导管方案的节能效果仅为0.24%。

从表3可知，在螺旋桨抽吸作用下，加装水动力节能装置后，船体阻力均有不同程度的增加，同时节能装置附体也产生的是阻力。从总阻力来看，3个方案的增加量分别为1.52%，0.52%，1.24%，导轮和定子引起的总阻力增加要略高于导管。

带3种节能装置后，船后螺旋桨的效率ηs增加量依次为5.62%，1.03%，5.28%。由此可看出，导轮具有较好的节能效果主要是由于其具有的叶片产生预旋作用，使得ηs提升明显。

3.3 节能装置附体对船尾压力分布的影响

图4为各方案船尾左舷和船尾右舷的压力分布图。从4组图的比较来看，相对于原型，加装节能装置后，船尾处的压力均下降，这表明导管和叶片的存在均会使船尾表面的压力降低，从而引起总阻力增加，与3.2节中的结论一致。带导轮后船尾表面压力降低最显著，这是导管和定子共同作用在船体上的结果。加装导管后船体表面压力降低的主要原因是在螺旋桨的抽吸及导管与船体间的挤压使水流加速，导管与船体间的压力就会降低。加装定子后，船体上亦会出现较大范围的压力降低区域，这主要是叶片的叶背会使得流体加速，在叶片的叶背形成低压区。

3.4 节能装置附体对桨前流场的影响

图5为各算例桨前切向进流速度的周向平均值沿径向的分布。从图中看，加装导轮及定子后，螺旋桨前方的切向进流速度下降明显，而只加装导管时变化不明显。这说明导轮具有的叶片会引起与螺旋桨旋转方向相反的流动，而导管影响较弱。这与3.2节中的结论一致。

4 试验验证

在完成导轮方案的设计后，该船在中国船舶科学研究中心的深水拖曳水池完成了模型试验，对比了带与不带节能装置附体是的船模阻力和自航性能，图6为模型试验照片，船模缩尺比与数值计算相同^[11]。

表4为阻力试验结果，可知，带导轮后阻力较原型增加0.4%，阻力相对增加量与计算结果基本吻合，但船模原型和带导轮后的阻力计算值均较试验值小3%左右，原因在于：1）由于试验中采用激流丝激发湍流提前转捩，而计算中未采用转捩，计算中选用的SST k-w二方程模型可能无法再现船模的真实湍流情况；2）计算中仅采用重叠模，未考虑自由面引起的兴波阻力。

船模自航试验采用强迫自航法，分别得到了自航点处带与不带节能装置时螺旋桨的推力和转矩，并用ITTC标准方法进行实船航速预报。最终结果表明，设计吃水CSR下（考虑15%的Sea Margin），该船带节能装置航速达到14.55 kn，相较于不带节能装置的原型，航速提高了0.17 kn。图7所示为带与不带节能装置时的实船预报结果对比，设计航速附近，该导轮方案具有3%～4%的节能效果，与CFD评估结果基本一致，表明该方法可用于此类船后节能装置附体的节能效果评估。

5 结　语

本文以一型7万吨级油船为目标，讨论导轮各组成部分对其性能的影响。基于CFD方法对该船原型以及加装不同类型节能装置的船模进行阻力及自航评估，并从阻力、节能效果、船尾表面压力分布、螺旋桨进流场4个方面进行比较和分析，最后进行了模型试验验证，得出以下结论：

1）在螺旋桨的抽吸作用下，带节能装置后船体总阻力增加，并且导轮和定子引起的阻力增加要略高于导管；

　　2）由于叶片对螺旋桨进流的预旋作用，导轮和定子的节能效果相当，均比单独导管高约3%，这表明导轮具有较好的节能效果主要是由于其具有的叶片产生了预旋作用，使得船后螺旋桨效率提升明显，导管在其中不扮演关键角色；

3）导轮的节能效果和阻力变化数值评估结果与模型试验基本吻合，这说明该方法可以较好地预报此类节能装置的节能效果。