TEU系列集装箱船螺旋桨毂帽鳍的计算与试验验证

田晓庆，邵汉东，潘玉鹏，潘华辰

（1.杭州电子科技大学 海洋工程系，杭州 310018；2.扬帆船舶设计研究院，浙江舟山 316100）

0 引言

近年来，随着国际海事组织IMO（International Maritime Organization）对船舶安全和温室气体排放等标准的提高及 EEDI（Energy Efficiency Design Index）指数的提出[1]，使我国乃至全球的船舶工业都面临着巨大的挑战和订单影响。鉴于此，船舶节能减排问题已提升到前所未有的高度。

螺旋桨毂帽鳍PBCF（Propeller Boss Cap Fins）作为一种船舶节能装置，由于其结构简单、安装方便，近年来已成为船舶行业研究的热点之一[2]。实验研究方面，龚其福[3]等采用反向敞水实验，对毂帽鳍的最佳参数进行了实验研究，发现毂帽鳍能提高螺旋桨的推动效率。至 2009年，中船重工 702所又采用激光测速仪（LDV）对毂帽鳍安装前后流场的特性进行了研究，验证了毂帽鳍能改善螺旋桨的尾流特性[4]。为了进一步验证毂帽鳍的节能效率，文献[5]进行了PBCF两种不同安装方案的对比研究，发现PBCF能提高螺旋桨的敞水特性，但是安装方式对其驱动效率的影响各异。

随着计算流体（Computational Fluid Dynamics，CFD）的发展，螺旋桨PBCF设计和优化的数值模拟研究也日新月异。先后有了Xiong Ying[6]等，对PBCF形状的优化设计，Takafumi Kawamura[7]等对实船的数值模拟，并将其与试验结果进行对比分析，验证了实船尺度比船模更能提高螺旋桨的推力和效率。上海船舶运输科学研究院也对桨-PBCF-舵的水动力性能进行数值计算研究，发现无舵时PBCF的节能效率高于有舵时[8]，大连理工大学还建立了有舵和无舵状况下，PBCF的最佳参数[9]。也有学者通过 CFD的方法验证了毂帽鳍叶片的安装角度对PBCF的节能效率有较大影响[10]。Jeonghwa Seo[11]等采用实验和数值模拟相结合的方法对这一结论进行了验证。

然而，这些研究大都针对某一种特定的船型，大都是螺旋桨和PBCF的独立设计。鉴于此，针对典型的TEU系列大型集装箱船，以其快速性为研究对象，对螺旋桨和PBCF进行一体化设计。

1 毂帽鳍的设计

选用 TEU系列某一特定的集装箱船为研究对象（该船型的特征参数如表1所示），依次建立船模和实船的三维数值计算模型。

表1 船型参数表

基于SHIPFLOW中的ZONAL方法，将整个船体划分为3个区域：势流区、薄边界层区和湍流区。采用面元法，运用k-ωSST和EASM湍流模型，结合无壁面函数依次计算出船体伴流场，并将其作为螺旋桨和毂帽鳍的来流条件。基于高效桨叶剖面的流场特性，设计出伴流的最佳侧斜和纵倾分布。同时，适当提高螺旋桨根部的环量，最终设计出如图1所示的适用于该螺旋桨的毂帽鳍，桨和鳍的各个特征参数见表2。

图1 螺旋桨和毂帽鳍

表2 螺旋桨和毂帽鳍的主要参数

2 桨鳍的实验结果及分析

为避免毂帽鳍的尺寸效应影响测量效果，采用目前国际上顶级的空泡水筒进行螺旋桨毂帽鳍的增效试验，并将空泡水洞试验中所得到的安装和未安装毂帽鳍的螺旋桨敞水性能差量添加到常规的敞水试验结果之中。

表3 毂帽鳍模型空泡水筒试验结果

其中，J表示螺旋桨的进速系数；Kt、Kq，η分别代表螺旋桨带毂帽鳍和不安装毂帽鳍时的推力系数、扭矩系数和敞水效率之比。

桨-鳍和桨本身试验结果可以看出：添加毂帽鳍可以提升螺旋桨的推力系数，同时，降低了其扭矩系数；并且随着进速系数的提升，螺旋桨的敞水效率也逐渐提升。

为了充分验证螺旋桨毂帽鳍的作用效果，除空泡水筒增效试验外，还依次进行了船模和实船的敞水试验、阻力试验和自航试验，各个测量结果依次如表4和表5所示。

表4 船模敞水试验结果

表5 实船敞水试验结果

从表4和表5中可以看出：随着进速系数的提升，推力系数和扭矩系数都呈下降趋势，螺旋桨的敞水效率呈线性增加（图2）。

同时，实船比船模的敞水效率高一个百分点左右，并且随着螺旋桨进速系数的提升，敞水效率的提高速度也有所增加（增幅为0.90%～1.46%）。对比表5和表6可以看出，添加毂帽鳍的实船相对原船原桨，敞水效率均有一定程度的提升，并且随着进速系数的提升，敞水效率的增幅也有一定的增加（增幅为1.80%～2.11%）。

为进一步验证毂帽鳍的优越性，采用实船为研究对象，先后以带毂帽鳍和不加装毂帽鳍的桨鳍船体为研究对象，依次对不同航速下，船体结构吃水、设计吃水和压载吃水时，收到功率进行了测量，具体结果如表7所示。

表6 带毂帽鳍实船试验结果

图2 不同进速系数时，敞水试验效率

其中，DT0表示未添加毂帽鳍的船舶参数，DT1表示添加毂帽鳍以后所对应的各个参数。

对比优化方案与原方案（表7）可以看出：结构吃水时，相同航速下收到功率降低了近 5%，相同功率下航速提升了0.24 kn；设计吃水时，收到功率降低了8%，相同功率下航速也提高了0.38 kn；压载吃水时，相同航速下收到功率降低了近 5%，相同功率下航速提升了0.23 kn。

3 结论

运用船舶设计CFD中的桨-船一体化技术，对TEU系列某一特定船型的螺旋桨进行优化设计，并用CFD中伴流模型对毂帽鳍的性能进行了验证。接着，引入船模和实船的敞水试验，依次进行了阻力试验和自航试验，通过数值模拟和试验研究发现如下结论。

1）新型带毂帽鳍的设计桨比原船原桨收到功率下降5%～8%，同时，相同功率下可将船舶的航速提升0.23 kn～0.38 kn。

2）新型带毂帽鳍的设计桨比原船原桨时，船舶的敞水效率提升近2个百分点，并且随着螺旋桨进速系数的提升，船舶敞水效率的提升量也随之增加。

表7 带毂帽鳍与不带毂帽鳍的原桨收到功率

3）船舶任意航速时，实船比船模的敞水效率高1个百分点左右，并且随着螺旋桨进速系数的提升，效率的提高速度也有所增加。