14553_抽气式涡轮帆的气动力学分析研究

SHIPENGINEERING船舶工程Vol.37No.22015总第37卷，2015年第2期—1—抽气式涡轮帆的气动力学分析研究栾泳立，胡以怀，李志球（上海海事大学商船学院，上海201306）摘要：介绍了抽气式涡轮帆的结构和工作原理。使用Gambit软件建立了涡轮帆的模型。采用RNGk-ε湍流模型描述了涡轮帆的动力学特性。利用Fluent软件对抽气式涡轮帆进行了数值模拟计算，并与风洞试验数据进行了对比，升阻力系数的模拟结果与试验数据变化趋势基本一致。计算了特定情况下椭圆筒不同偏转角时的升阻力系数，并模拟了不同旋转角下吸气强度以及旋转角为0时分流板位置对涡轮帆升阻力系数的影响，为涡轮帆的优化选择提供了依据。关键词：抽气式涡轮帆；升阻力系数；旋转角；吸气强度；分流板位置中图分类号：U664;TK89文献标志码：A【DOI】10.13788/j.cnki.cbgc.2015.02.001KineticAnalysisofExhaustTurbineSailsLUANYong-li,HUYi-huai,LIZhi-qiu(MerchantMarineCollege,ShanghaiMaritimeUniversity,Shanghai201306,China)Abstract:Thestructureandworkingprincipleoftheexhaustturbinesailsareintroducedinthispaper.Theturbinesails’modelismadebygambitanditsdynamiccharacteristicsisdescribedbytheRNGk-εturbulencemodel.Thenumericalsimulationiscalculatedbyfluentsoftware,andtheresultsarethesametrendswiththeonesthatweremadebythewindtunneltest.Thentheliftanddragcoefficientsarecalculatedwhentherotationangleoftheturbinesailschangeswhiletheotherfactorsaresame.Intheend,howthestrengthofsuctionandthepositionofmanifoldinfluenttheliftanddragcoefficientsisanalyzed.Keywords:exhaustturbinesails;liftanddragcoefficients;rotationangle;strengthofsuction;positionofmanifold0引言当今世界上90%的货物由船舶承运，而船舶的主要推进装置仍以柴油机为主。随着全球的能源问题越来越突出，海事法规对船舶排放的要求越来越苛刻，风帆助航成为各国政府和各大航运企业研究的热点。传统风帆工作效率低，适用范围狭窄。翼型帆气动性能较好，工作效率较高，但是占用空间大，节能效率低[1]。抽气式涡轮帆占用面积小，通过抽气，升力系数可以达到6.5~7.5，使节能效率大大提高。法国的ALCYONE号抽气涡轮帆船实船试验表明，在12.8m/s的有利风速下，节能效果可达50%左右[2]。抽气式涡轮帆有着很好的性能，但是影响因素很多，国内对于此种帆的研究甚少。本文通过CFD模拟，分析了帆的旋转角、吸气强度及分流板位置对涡轮帆的性能的影响。1抽气式涡轮帆的原理当流线形物体处于均匀流场时，将会受到一个由物体后方形成的漩涡脱落产生的阻力。流线越差，漩涡越容易形成和脱落，阻力也就越大。在漩涡没有发生分离脱落以前，物体边界上基本为层流。发生脱落后，如果在分离点附近抽吸流体减压，或者使流体加速，便可以使物体边界上由层流状态变为紊流状态，延缓漩涡的分离或使漩涡不再形成[3]。经过这样的边界层控制后，在物体上将会产生垂直于气流方向的升力和气流方向的阻力。抽气式涡轮帆便是依此原理来提供动力。抽气式涡轮帆的结构如图1所示。其主体为一个收稿日期：2014-09-05；修回日期：2014-10-10基金项目：上海市科委资助项目“远洋船舶风帆助航应用研究”（编号：08210511800）作者简介：栾泳立（1990-），男，硕士。研究方向：船舶动力装置。通讯作者：胡以怀（1964.1-），男，教授，研究方向：船舶动力装置振动分析、故障诊断，系统仿真，船舶新能源等。船舶机械—2—可转动的椭圆筒，在后缘部分左右两侧为布满小孔的抽气面，并设置有一个活动的分流板，在风向不同时可以用来遮挡左侧或右侧的抽气孔。分流板按照尾翼形状设计，有利于减缓抽气面附近的漩涡强度。椭圆筒上下装有端板，增加稳定性。在上端板处安装有抽气机。当风速、风向及船速不同时，可综合调节帆的角度和抽气量，以便达到最佳的推进效率。图1抽气式涡轮帆结构图2抽气式涡轮帆的动力学分析2.1帆的坐标系图2中，V为风速方向；L为升力方向；D为阻力方向；β为风向与航向的夹角（表观风向角）；θ为椭圆筒转角（设椭圆筒前缘为迎风面，风向与椭圆筒长轴同向时θ为0°，逆时针为正）。则抽气式涡轮帆的升力、阻力、推力系数可用下式计算：212LLCFSV（1）212DDCFSV（2）CT=CL·sinβ-CD·cosβ（3）式中，ρ为空气密度；S为筒形帆表面积。图2风轴坐标系2.2数学模型与边界条件本文采用Gambit建模，椭圆筒长短轴分别为0.625m、0.5m（5:4），抽气孔位置为圆心角20°~30°对应的弧。计算域长、宽分别为椭圆短轴长度的100倍、20倍，采用钱币型划分网格方法，网格单元数量为2.24×106。来流风速采用速度进口，出口采用出流，抽气面采用质量进口，其它采用墙面边界条件。采用Fluent进行数值模拟。选用Simple算法和二阶迎风格式。考虑到实际的吸气效应和椭圆筒后缘的绕流和漩涡问题，选用RNGk-ε湍流模型[4]，即：()()kiieffjkjkuktxkxGx（4）212()()iieffjkjCGCkkutxxx（5）式中，μeff=μ+μt；μt=Cμρk2/ε；Cμ=0.0845；αk=αε=1.39；C1ε=1.42；C2ε=1.68。边界条件中的湍流强度I、湍动能k和湍流耗散率ε按照下式计算：1/8/0.16ReDHI（6）23 ()2kI（7）13/223/4tkkCCl（8）式中，Cμ取0.09；μt/μ为湍流粘度比；μ′为湍流脉动速度；为平均速度；ReDH为按水利直径DH计算得到的雷诺数。为了能够形象的表示吸气状况、引入吸气强度的概念，将吸气强度定义为抽气面入流速度与无穷远速度之比，用γ表示，即：γ=V∞/Vin（9）使用Fluent进行数值模拟时，做出以下假设：1）风的流场是稳定的，不存在风速梯度；2）忽略温度的影响；3）忽略船舶橫倾纵倾等对帆的影响；4）抽气孔的面积按照抽气面处理。3模拟结果与分析3.1数值模型验证取风速为10m/s，椭圆筒旋转角-30°，吸气强度从1~2，每隔0.2变化时，升阻力系数的模拟值与风洞试验值如图3所示（风洞实验值取自文献[5]）。由图3可知，升阻力系数均随着吸气强度的增强而变大，模拟值的升力系数普遍高于试验结果，而阻力系数普遍低于试验结果，但是变化趋势趋于一致。分析产生该现象的原因有两方面：1）模型的精度还有待提高；2）数值模拟本身存在的偏差，如忽略了风速抽气上端板抽气扇抽气扇支架抽气孔下端板可转动椭圆筒分流板yxDLβθo后缘V栾泳立等，抽气式涡轮帆的气动力学分析研究—3—梯度和温度场的影响，湍动能和湍流耗散率取的只是近似值等。图3-30°不同γ时数值模拟值与风洞实验值比较3.2椭圆筒旋转角对升阻力系数的影响。取风速为10m/s，吸气强度为1.5，椭圆筒旋转角从-40°~30°，每隔5°变化时，椭圆筒后缘的流线图如图4（选取部分）所示。图4不同θ时的流线图当θ-40°时，椭圆筒的后缘的漩涡交替脱落，不能消失或形成稳定的单涡。其升阻力系数也随漩涡的脱落呈现波浪形升降。漩涡的脱落会引发振动，频率可以达到每秒数百次到上千次。当这个频率达到椭圆筒固有频率时，将会引发谐振，会对涡轮帆造成较大的危害[3,6]。当θ为-30°~5°时，椭圆筒后缘的漩涡消失，流场稳定，这时的升力系数也较大，为涡轮帆工作的理想状态；当θ为15°~30°时，椭圆形筒后缘出现单涡，但是不会脱落，此时的流场也趋于稳定，但是升力系数较小。升阻力系数随θ变化图如图5所示。图5θ不同时升阻力系数变化图由图5可知当θ=-15°时，升力系数最大，此时的阻力系数较小。根据公式（3），在-15°~0°间，帆的推力系数都比较理想。3.3吸气强度对升阻力系数的影响当吸气强度取值0.2~2，每隔0.2变化时，不同旋转角的抽气涡轮帆的升阻力系数变化图如图6所示。图6γ不同时不同θ的升阻力系数变化图由图6可知，涡轮帆旋转角不同时，升力系数均随着吸气强度的增强而变大。吸气强度大于1.8时，θ为-30°、-15°、0°时升力系数均大于6。θ=-30°时，阻力系数随吸气强度的增强增加较快。θ=-15°时，阻力系数随吸气强度的增加略微变大。θ=0°时，阻力系数随着吸气强度的增加反而减小。θ为15°和30°时，随着吸气强度增强，阻力系数均有拐点出现，因升力系数较小，没有多大研究意义。分析不同吸气强度椭圆筒后缘的流线图发现，当γ0.4时，各个旋转角的椭圆筒后缘均会出现漩涡交替脱落的现象。γ=0.6时，θ=0°的椭圆筒后缘出现稳定的单涡。γ0.8时，θ为-15°和-30°的椭圆筒后缘才开始形成稳定的单涡。分析γ0.4时，漩涡交替脱落的原因，可能是因为吸气强度太低，不能为边界的流体提供足够的能量。当θ=0°时，流场最先稳定，分析可能跟椭圆筒后缘的分流板的位置和吸气孔的进气方向相关。综合考虑抽气机的效率、升阻力系数、涡轮帆的稳定等情况，吸气强度γ取1.2~1.8时为宜。3.4分流板位置对升阻力系数的影响取风速为10m/s，吸气强度为1.5，涡轮帆旋转角为0°。设分流板中心点与椭圆圆心连线与椭圆长轴之间的夹角为λ，逆时针为正。λ从0°~-30°，每隔5°变化时，升阻力系数变化图如图7所示。由图7可知，升力系数随着λ绝对值的增加不断增加，但是增加幅度逐渐放缓。阻力系数的变化并没有规律性。分析流线图时发现，当λ=-15°~-30°时，椭圆筒后缘的漩涡消失迅速，流场很快便趋于稳定，这说明分流板的位置确实对尾涡产生了影响。7654321000.251.50.751阻力系数CD升力系数CL-30°-35°1.25-40°-25°-20°-15°-10°-5°0°5°10°15°20°25°30°7654321000.51阻力系数CD升力系数CL-30°21.50.22-15°20°0.215°0.230°0.222987654321000.511.52阻力系数CD升力系数CL-30°数值模拟值-30°风洞模拟值111.21.21.41.61.821.41.61.82船舶机械—4—图7λ不同时升阻力系数变化图当分流板的形状结构不同时，对升阻力系数的影响也不尽相同，研究某一种形状的分流板并不能对其他类型产生足够的指导意义[7]。因此本论文只研究了分流板为弧线形，涡轮帆旋转角为0°的情况。4结论本文介绍了抽气式涡轮帆的结构和工作原理，采用RNGk-ε湍流模型，利用Fluent对抽气式涡轮帆进行了数值模拟，从分析结果中可知：1）椭圆筒旋转角对涡轮帆的升阻力系数影响巨大。角度不合适时，不仅效率较低，还会在椭圆筒后缘产生漩涡交替脱落的现象，引起涡轮帆的振动。抽气式涡轮帆的最佳旋转角度为-15°~0°。2）不同的旋转角下，随着吸气强度的增加，抽气式涡轮帆的升力系数均变大，