China Ocean Eng., Vol. 30, No. 4, pp. 627 – 636 copy; 2016 Chinese Ocean Engineering Society
DOI 10.1007/s13344-016-0040-8, ISSN 0890-5487
Numerical and Experimental Studies on the Effect of Axial Spacing on Hydrodynamic Performance of the Hybrid CRP Pod Propulsion System*
XIONG Ying (熊 鹰)a, 1, ZHANG Ke (张 可)b,
WANG Zhan-zhi (王展智)a and QI Wan-jiang (齐万江)c
a Department of Naval Architecture, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China
- The 92001th Unit of PLA, Qingdao 266011, China c The 71187th Unit of PLA, Yantai 266011, China
(Received 13 October 2014; received revised form 11 February 2015; accepted 18 April 2015)
ABSTRACT
The hydrodynamic performance of a hybrid CRP pod propulsion system was studied by RANS method with SST k turbulence model and sliding mesh. The effect of axial spacing on the hydrodynamic performance of the hybrid CRP pod propulsion system was investigated numerically and experimentally. It shows that RANS with the sliding mesh method and SST k turbulence model predicts accurately the hydrodynamic performance of the hybrid CRP pod propulsion system. The axial spacing has little influence on the hydrodynamic performance of the forward propeller, but great influence on that of the pod unit. Thrust coefficient of the pod unit declines with the increase of the axial spacing, but the trend becomes weaker, and the decreasing amplitude at the lower advance coefficient is larger than that at the higher advance coefficient. The thrust coefficient and open water efficiency of the hybrid CRP pod propulsion system decrease with the increase of the axial spacing, while the torque coefficient keeps almost constant. On this basis, the design principle of axial spacing of the hybrid CRP pod propulsion system was proposed.
Key words: hybrid CRP pod propulsion system; axial spacing; hydrodynamic performance; numerical simulation; experimental study
1. Introduction
The hybrid CRP pod propulsion system is a new contra-rotating propulsor which consists of a forward conventional shaft propeller and an aft podded propulsor. Compared with the conventional propeller, the hybrid CRP pod propulsion system has the following advantages: high propulsion efficiency; low total power; good maneuverability; two independent propulsion systems, which improve redundancy; no need of the lateral thruster and rudder; low vibrating force; flexible arrangement; and low exhaust emission. Under the “Green Ship” background, the hybrid CRP pod propulsion system has a bright future and may become one of the research focuses in the area of ship propulsion because of its advantages (Go et al., 2004; Ueda et al., 2004; Inukai and Ochi, 2009; Andrew et al., 2011; Wang and Xiong, 2013).
- The research was financially supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 51479207 and 51179198), and the High Technology Marine Scientific Research Project of the Ministry of Industry and Information Technology of China (Grant No. [2012]534).
1 Corresponding author. Email: xiongying0920@163.com
628 XIONG Ying et al. / China Ocean Eng., 30(4), 2016, 627 - 636
Kim et al. (2002) conducted comparative tests on single screw, twin screw and the hybrid CRP pod propulsion system on an ultra large container vessel in Samsung Ship Model Basin of Samsung Heavy Industries. Experimental results showed that total propulsion efficiency of the Hybrid CRP pod propulsion system was 9% higher than that of twin screw, 5% higher than that of conventional single screw. Sasaki et al. (2006) investigated the model test procedures of the Hybrid CRP pod propulsion system. They proposed that the procedures should include the resistance test without the CRP pod propulsion system, self-propulsion test with the CRP pod propulsion system and open water test. Sasaki et al. (2009) discussed the design method and improved the open water test procedure. They pointed out that the open water tests should include open water test of single forward propeller, of the forward propeller behind the pod, and of the pod unit, and the hybrid CRP pod propulsion system. Black and Cusanelli (2009) conducted the open water test of the hybrid CRP pod propulsion system in the cavitation tunnel at Newcastle University. The test did not consider the effect of the gap between forward and aft propeller, but the effect of hub was considered in numerical simulations. And they carried out a further cavitation test. Shimamoto et al. (2010) evaluated the general performance of the hybrid CRP propulsion system. It was found that the hybrid CRP pod propulsion system could not only save power but also improve maneuverability compared with the traditional single screw container ship. Chang and Go (2011) studied the self-propulsion performance of a container ship equipped with the hybrid CRP pod propulsion system. It was found that revolution ratio of forward and aft propellers uniquely corresponded to the power ratio at a constant ship speed; under the design conditions, the effect of aft propeller on the hydrodynamic performance of forward propeller could be negligible. Quereda et al. (2012) described the test carried out at CEHIPAR and the device arrangement necessary to test the unit in a towing tank and in a cavitation tunnel, and presented an extrapolatio
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轴间距对混合式CRP推进系统水动力性能影响的数值与实验研究
XIONG Ying (熊 鹰)a, 1, ZHANG Ke (张 可)b,
WANG Zhan-zhi (王展智)a and QI Wan-jiang (齐万江)c
a Department of Naval Architecture, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China
- The 92001th Unit of PLA, Qingdao 266011, China c The 71187th Unit of PLA, Yantai 266011, China
(Received 13 October 2014; received revised form 11 February 2015; accepted 18 April 2015)
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抽象的
采用RANS方法，采用SST k- 湍流模型和滑动网格研究了混合CRP吊舱推进系统的水动力性能。数值模拟和实验研究了轴向间距对混合CRP吊舱推进系统水动力性能的影响。结果表明，采用滑动网格法和SST k - 湍流模型的RANS能准确预测混合CRP吊舱推进系统的水动力性能。轴向间距对前部螺旋桨的水动力性能影响不大，但对吊舱的影响很大。随着轴向间距的增加，荚状单元的推力系数呈下降趋势，但趋势变弱，较低提前系数下降幅度大于较高提前系数下降幅度。混合CRP吊舱推进系统的推力系数和开放水效率随着轴向间距的增加而减小，而扭矩系数几乎保持不变。在此基础上，提出了混合CRP吊舱推进系统的轴向间距设计原则。
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关键词：混合CRP舱推进系统；轴向间距；水动力性能；数值模拟；实验研究
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- 介绍
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CRP吊舱推进系统是一种新型的对旋推进器，它由前传统轴推进器和后推进推进器组成。 与传统螺旋桨相比，混合CRP吊舱推进系统具有以下优点：推进效率高; 低总功率; 良好的可操作性; 两个独立的推进系统，提高冗余度; 不需要侧向推进器和方向舵; 低振动力; 灵活的安排; 和低排放。 在“绿色船”的背景下，混合CRP吊舱推进系统前景广阔，可能因其优势而成为船舶推进领域的研究热点之一（Go等，2004; Ueda等，2004 ; Inukai和Ochi，2009; Andrew等，2011; Wang和熊，2013）。
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Kim等人（2002）在三星重工的三星船模盆地的超大型集装箱船上进行了单螺杆，双螺杆和混合CRP吊舱推进系统的对比试验。实验结果表明，Hybrid CRP吊舱推进系统的总推进效率比双螺杆提高9％，比传统单螺杆提高5％。 Sasaki等人（2006）研究了混合CRP吊舱推进系统的模型试验程序。他们建议程序应该包括没有CRP吊舱推进系统的阻力测试，CRP吊舱推进系统的自动推进测试和开放水测试。 Sasaki等人（2009）讨论了设计方法并改进了开放水域测试程序。他们指出，开放水域试验应包括单个前进螺旋桨，后方前方螺旋桨以及吊舱单元和混合CRP吊舱推进系统的开放水域试验。 Black和Cusanelli（2009）在纽卡斯尔大学空穴隧道中对混合CRP吊舱推进系统进行了敞水试验。该试验没有考虑前后螺旋桨之间间隙的影响，但数值模拟考虑了轮毂的影响。他们进行了进一步的空化测试。 Shimamoto et al。 （2010）评估了混合CRP推进系统的总体性能。研究发现，与传统的单螺旋集装箱船相比，混合CRP吊舱推进系统不仅可以省电，而且还可以提高机动性。 Chang和Go（2011）研究了配备混合CRP吊舱推进系统的集装箱船的自航性能。发现前后螺旋桨的旋转比在恒定的船速下唯一对应于功率比;在设计条件下，后螺旋桨对前螺旋桨水动力性能的影响可以忽略不计。 Quereda等人（2012）描述了在CEHIPAR上进行的测试以及在拖曳水槽和空化隧道中测试该装置所需的装置布置，并提出了从模型刻度到全刻度的外推方法。 Sheng和Xiong（2012），Zhang（2013）和Wang and Xiong（2013,2016）研究了采用RANS方法的混合CRP吊舱推进系统的开放水域性能。第26届ITTC推进委员会（2012年）认为，这是由于缺乏对混合CRP吊舱推进系统的实验研究，相关研究仍在进行中。委员会建议第27届ITTC推进委员会应提出混合CRP吊舱推进系统的测试程序。
目前，对混合CRP吊舱推进系统的研究主要集中在模型试验上。本文进行了数值和实验研究，以探讨轴向间距对混合式CRP吊舱推进系统水动力性能的影响。在此基础上，对混凝土的轴向间距进行设计。
2轴向间距的设计原理
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混合CRP吊舱推进系统的推进推进器可以用作360°旋转的方向舵，因此，前后螺旋桨之间的轴向间距必须足够长以保持旋转平稳。 图1显示了前部和后部螺旋桨之间的轴向间距。 Rf，Ra，a1，a2，b和d代表前部螺旋桨的半径，后部螺旋桨的半径，前螺旋桨毂，后螺旋桨毂的长度，吊舱的旋转半径，前螺旋桨和后螺旋桨之间的轴向间距最小轴间距由尾部螺旋桨Ra的半径、荚b的旋转半径以及轮毂长度A1和a2决定。这种关系如下：
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由于Eq。 （3）所示，轴向间距主要取决于前螺旋桨半径，吊舱的旋转半径和前后螺旋桨的轮毂长度。螺旋桨直径和轮毂半径比在初始设计阶段已经确定，并且几乎不能改变，因此，吊舱b的旋转半径成为影响轴向间距的关键参数。当b很大时，
b2Ra 2b较小，最小轴向间距主要由船尾轮毂长度决定
螺旋桨;当b较小时，b2Ra 2b较大，主要确定最小轴向间距
由后螺旋桨的直径决定。从理论上讲，对于能量回收，当前部螺旋桨与后部螺旋桨之间的距离较短时，螺旋桨尾流的可用能量较大。因此，应尽可能地减小轴向间距。这要求最小间距应该由公式计算。 （1）在主要设计阶段，因为轮毂长度应尽可能短
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3.数值研究
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为了验证最小间距设计准则，采用RANS方法结合SST k - 模型和移动网格模型研究轴向间距对混合CRP吊舱推进系统水动力性能的影响。 这种方法可以准确预测混合CRP吊舱推进系统的开放水域性能，这可以在Sheng和Xiong（2012），Zhang（2013）和Wang and Xiong（2013）中看到。
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3.1管理方程式
在混合CRP吊舱推进系统以均匀流动操作时，推进系统周围的湍流流场的控制方程为瞬时质量守恒（连续性方程）和动量（雷诺平均Navier-Stokes方程RANS）。 这些方程可以表示如下
其中，所有变量都是时间平均的速度、流体密度静态压力、流体粘度、单位体积力和雷诺兹应力。
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3.2数学模型
混合CRP吊舱推进系统由传统的轴螺旋桨和吊舱推进器组成。 吊舱推进器包括住房，支柱和尾鳍。 吊舱模型为AZP120外壳，吊舱的主要参数如表1所示，前后螺旋桨的主要参数如表2所示，混合CRP吊舱推进系统的几何结构如图2所示。
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流域被分成三部分，即流入域，旋转域和荚域。 在这些域之间的接口处，执行局部参考系变换以使得一个区域中的流量变量能够用于计算相邻区域的边界处的通量。 旋转域是半径为1.2DF的圆柱体，其中D F是前向螺旋桨的直径，并且被周期性结构化网格离散化。 H-O拓扑结构的网格在叶片前缘，后缘，叶片尖端和吊舱附近精制。 设定近壁面间距以确保非壁面间距，在螺旋桨处达到y asymp;80的目标的三维间距，因此可以采用壁功能。 在这个数值模拟中，总网格数大约为3500000。螺旋桨和舱的网格如图1和2，3和4所示。
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入口边界被设定为速度入口，并且速度根据提前速度系数而变化; 出口边界被设置为流出; 远场边界被设置为对称。 螺旋桨叶片，螺旋桨轮毂和吊舱设置为无滑动壁。 移动网格法用于模拟前后螺旋桨的反转运动。 控制方程和湍流模型采用二阶迎风格式，采用有限体积法离散，压力 - 速度耦合采用SIMPLEC方法。
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3.3数值结果
与传统的反转螺旋桨不同，混合CRP吊舱推进系统的前后螺旋桨的转速比不固定。 因此，在本文中，前后螺旋桨的直径和转数分别用于无量纲推力和扭矩。 前进系数J，前进螺旋桨KTF的推力系数，
前推进器KQF的扭矩系数，后推进器KTA的推力系数，后推进器的扭矩系数KQA，吊舱单元的推力系数KTU，混合CRP吊舱推进系统的推力系数KT，混合CRP吊舱推进系统的扭矩系数 系统KQ，和混合CRP吊舱推进系统的开放效率如下：
其中，VA，nF，nA，DF，DA，QF，QA，TF，TA和Rpod表示流体的密度，流入速度，前螺旋桨的旋转，后螺旋桨的旋转， 螺旋桨，后螺旋桨的直径，前螺旋桨的扭矩，后螺旋桨的扭矩，前螺旋桨的推力，后螺旋桨的推力和吊舱的阻力。
表3列出了具有三种不同轴向间距的混合CRP吊舱推进器的流体动力学性能比较，并且轴向间距J = 0.76的CRP吊舱推进系统的开放水域性能变化如图5所示。
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从表3可以看出：
（1）轴向间距对前部螺旋桨的推力和扭矩系数的影响相对较小。这主要是因为前部螺旋桨位于后部螺旋桨的上游，后部螺旋桨的吸力对前部螺旋桨在一定范围内的进入速度影响不大。
（2）随着轴向间距的增加，后螺旋桨和吊舱单元的推力系数降低。随着轴向间距的增加，下降速度减慢，该先进系数小的系数大于前进系数大的系数。扭矩系数没有明显变化。主要原因是随着轴向间距的增加，尾桨可吸收的螺旋桨尾流能量减小。
（3）混合CRP吊舱推进力的推力系数和开放水效率随着间距的增加而减小，而扭矩系数变化不大，因此在节能方面轴向间距应尽可能小。
还计算了单一螺旋桨和吊舱单元的开放水域性能，并且吊舱阻力与扭矩之间的关系如图6所示，表明吊舱阻力与吊舱的扭矩成反比，这可以由节能法。在非反转条件下，旋转动能是螺旋桨尾流的主要能量，并在吊舱上产生较大的扭矩。在逆旋转的情况下，螺旋桨尾流的能量被后螺旋桨吸收成为动能，因此，吊舱阻力增加并导致“堵塞效应”。 从对旋螺旋桨设计的角度来看，吊舱扭矩越接近零，推进器尾部螺旋桨吸收的能量就越多。 如果吊舱的扭矩为零，则螺旋桨尾流的能量将被后螺旋桨完全吸收。
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单桨后推进器，吊舱推进器和混合式CRP吊舱推进系统的流线比较如图7所示，表明单桨后推进器流线的旋转效应相当剧烈，推进器的推进力较小 因为吊舱吸收了后螺旋桨的一些旋转能量，并且在混合CRP吊舱推进尾流中几乎没有旋转效应。
4.实验研究
4.1实验设施
为了验证设计原理和数值结果，还进行了实验研究。图1和图2显示了吊舱模型，前部螺旋桨和后部螺旋桨。分别为8,9和10。该实验在海军工程大学的空化隧道中进行。工作部分封闭，矩形横截面为0.6 mtimes;0.6 mtimes;2.6 m。上下水平段的中心线之间的高度约为10米。两个垂直段的中心线之间的距离为18米。该吊舱测力计系统H101是由Cussons公司专门设计的新型先进测试设备，用于引爆推进器的水动力性能测试。它可以测量螺旋桨的推力，扭矩，转向时的吊舱单元的单分力和流动方向上的吊舱阻力。长轴螺旋桨测力计是华中科技大学自行研制的一种自行开发的测试仪器，用于传统螺旋桨的开放水域试验，具有螺旋桨推力和扭矩测量功能。
前置螺旋桨反向安装在长轴螺旋桨测功机上，吊舱和后置螺旋桨安装在吊舱测功机系统上。轴向间距调整为0.33DF，0.4DF和0.46DF。 图1和图2显示了开放水域试验的结构。 在试验过程中，调节两台测力计，直到前部螺旋桨的转速达到1322转/分钟，后部螺旋桨的转速达到1427转/分钟，然后转速保持恒定，并将流入速度调节到该范围内 从2.5m / s到5m / s，相应的提前系数J从0.5到0.9。 在每个轴向间距条件下重复测试三次，并将测试结果的平均值用作混合CRP吊舱推进器的开放水域性能。 两螺旋桨的r / R = 0.7时的雷诺数大于3times;105。
4.2实验结果
实验数据和数值结果之间的不同轴向间距的开阔水域性能比较如图1和图2所示。 分别为13,14和15。 在这些图中，实心点代表实验数据，空心点代表数值结果。
5。结论
利用SST k - w湍流模型和滑动网格，采用RANS方法研究了混合CRP吊舱推进系统的水动力性能。 数值模拟和实验研究了轴向间距对混合CRP吊舱推进系统水动力性能的影响。 以上工作表明：
（1）采用SST k - w湍流模型和滑动网格的RANS方法能很好地预测混合CRP吊舱推进系统的水动力性能。
（2）轴向间距对前部螺旋桨的水动力性能的影响很小，但对推进器的影响很大。
- 随着轴向间距的增加，舱单元的推力系数呈下降趋势，但趋势变弱，低先导系数下降幅度大于高先导系数下的幅值。 混合CRP吊舱的推力系数和开放水效率推进系统随轴向间距的增加而减小，而扭矩系数几乎保持不变。
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资料编号：[16052]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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