环形推进器在海洋应用中的自推进性能及节能潜力

《Ocean Engineering》：Self-propulsion performance and energy-saving potential of a toroidal propeller for marine applications

　　在 J = 0.8 时，优化的环形螺旋桨的效率达到了 69.4%，比 KP505 高出约 2%，峰值效率为 72.1%，显示出更优异的开放水域性能。与 KP505 相比，环形螺旋桨的自推进速度降低了 7.0–9.1%，输出功率降低了 4.14–13.5%。此外，环形螺旋桨还减少了尾波波动，具有更好的节能效果。优化的环形螺旋桨在空化性能上表现出色，并满足了结构强度的要求。在相同的航线上，环形螺旋桨每航次可节省 60.97–94.82 吨的燃料，回收期为 163–239 天。

引言
近年来，由于其封闭式叶片尖端设计，环形螺旋桨受到了越来越多的关注。这种设计在减少叶片尖端泄漏涡流、抑制空化和流体力学噪声以及提高结构稳定性方面具有显著潜力，因此逐渐成为下一代高效低噪音推进系统的重要研究方向。目前关于环形螺旋桨的研究主要集中在开放水域性能、几何参数优化、尾流结构演变和噪声特性等方面。从流体力学机制的角度来看，环形螺旋桨与传统螺旋桨之间的差异不仅体现在整体推进性能上，还体现在叶片表面压力的重新分布以及近尾流涡流结构的变化上。吴等人（2024年）研究了关键几何参数（如叶片前倾角、螺距角和叶片数量）对推力和推进效率的影响，指出这些参数之间存在显著的耦合效应，为环形螺旋桨的参数优化提供了依据。王等人（2024年）进一步分析了螺距轴距比、倾斜角和垂直角等几何参数对叶片表面压力分布、推力系数和开放水域效率的影响，为环形螺旋桨的流体动力优化设计提供了有益指导。在流场机制方面，徐等人（2024年）指出环形螺旋桨的尾流主要由叶片尖端涡流和尾缘涡流组成，而前端、后端和过渡区产生的泄漏涡流在近尾流区域会发生合并和演变。白等人（2025年）进一步发现，环形螺旋桨的前过渡区会引发复杂的涡流结构，这些结构通过与叶片尖端涡流的相互作用而形成，导致其高速区域的分布和尾流模式比传统螺旋桨更为复杂。为了解决与环形螺旋桨复杂几何结构相关的建模难题，刘等人（2025年）提出了一种参数化建模方法，并通过与 DTMB P4119 螺旋桨的比较，证明了在相同推力条件下，环形螺旋桨可以有效降低流体力学噪声。朴等人（2026年）通过开放水域和空化条件下的数值对比分析发现，减少叶片尖端载荷有助于减弱尖端涡流的强度并缓解尖端涡流的空化现象。总体而言，现有研究初步揭示了环形螺旋桨在提高推进效率、调节尾流和降低噪声方面的潜在优势。然而，当前的研究主要局限于开放水域条件和基本流场机制，对于其在实际运行条件下的性能仍缺乏全面了解。

另一方面，在船舶自推进领域，基于计算流体动力学（CFD）的预测方法已经从传统的完全离散化螺旋桨建模发展到多种技术，包括多参考框架（MRF）、滑动网格和动态重叠网格方法。应用范围也逐渐扩展到涉及自由表面、浅水和波浪的更复杂运行环境。从机制研究的角度来看，安德森等人（2022年）指出，仅依靠推力推导、尾流分数和相对旋转效率等推进因素不足以完全揭示螺旋桨-船体相互作用的实际流体力学细节。因此，进一步的分析应考虑叶片载荷分布、局部流场结构和能量损失特性。同时，孙等人（2020年）发现，忽略自由表面对方向螺旋桨性能和阻力的影响可能导致功率预测误差高达约 5%，而船体表面粗糙度对输出功率的影响可能达到约 7%。在数值验证方面，贾萨克等人（2019年）通过海试对比和网格敏感性分析展示了使用高保真全尺寸 CFD 直接预测自推进性能的可行性。奎斯特等人（2023年）通过考虑测量的船体粗糙度和焊缝影响，完成了全尺寸自推进验证。马等人（2026年）基于 RANS、重叠网格和 DFBI 建立了适用于浅水双通道船舶的自推进分析模型，表明大多数自推进参数的误差可以控制在可接受的范围内。此外，以 KCS 船体和 KP505 螺旋桨为代表的标准基准案例在功率预测和自推进 CFD 研究中被广泛使用，为不同推进方案的性能比较和方法验证提供了统一参考。总体而言，现有研究初步证实了环形螺旋桨在提高推进效率、调节尾流和降低噪声方面的巨大潜力。然而，大多数现有工作仍主要集中在开放水域条件和基本机制分析上，对于更现实运行条件下的船体-螺旋桨耦合性能、自推进特性和工程适用性的研究仍然较为有限。

尽管在环形螺旋桨研究和船舶自推进的数值模拟方面取得了显著进展，但对于环形螺旋桨在实际运行条件下的应用关注仍然不足。大多数现有研究集中在开放水域性能、尾流特性和局部流体力学机制上，而对于环形螺旋桨在船舶非均匀尾流场中的自推进性能、螺旋桨-船体相互作用和节能效果的研究还不够充分。针对这一研究空白，本研究以经典的 KP505 螺旋桨作为基准，评估了安装在 KCS 船体后的优化环形螺旋桨的自推进性能和节能潜力。为此，首先建立了环形螺旋桨的完全参数化几何模型，并对其开放水域流体力学性能进行了优化，以获得具有改进流体力学特性的设计。随后，将优化后的环形螺旋桨应用于 KCS 船体的自推进模拟中，分析了螺旋桨-船体相互作用对推力、扭矩、尾流结构、自由表面扰动和输出功率的影响。最后，进一步评估了优化环形螺旋桨的空化特性、结构强度和经济性能，以评估其工程可行性。本文其余部分的结构如下：第 2 节介绍数值方法和验证；第 3 节介绍环形螺旋桨的参数化建模和优化；第 4 节讨论优化设计的流体力学、空化和结构性能；第 5 节进行自推进分析、全尺寸功率预测和经济评估；第 6 节总结主要结论。

控制方程
本研究考虑了螺旋桨周围和 KCS 船体的不可压缩粘性流动。控制方程由雷诺平均纳维-斯托克斯方程描述，包括连续性方程和动量方程：
$$
\frac{\partial \rho}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho u_i) = 0, \quad \frac{\partial \rho u_j}{\partial t} + \nabla \cdot (\rho u_j u_k) = -\frac{\partial P}{\partial x_j} + \mu (\nabla u_i \cdot \nabla x_j + \nabla u_j \cdot \nabla x_i - 2\delta_{ij} \frac{\partial u_i \partial x_j}) + \frac{\partial \rho u_j'}{\partial x_j} + f_i
$$
其中：$\rho$ 是流体密度，$t$ 是时间，$u_i$ 和 $u_j$ 是时间平均速度分量，$x_i$ 和 $x_j$ 是空间坐标分量。

叶片截面的参数化建模
叶片截面的参数化表示是环形螺旋桨几何建模和优化设计的基础。由于叶片截面的局部几何形状直接影响流场分布、载荷传递和结构响应，因此需要建立一种既能准确描述叶片轮廓又能便于后续优化迭代的参数化方法。

优化环形螺旋桨的数值流体动力学计算
为了全面比较优化环形螺旋桨和基准 KP505 螺旋桨的开放水域流体力学性能，采用相同的计算方法对两者的前进系数范围内的性能进行了数值模拟。为了确保公平和一致性的比较，两者的计算域、网格分辨率策略、边界条件和数值设置均相同。

KCS 船舶的阻力计算和有效功率验证
为了获得代表性的运行范围内的船体阻力和有效功率，并为后续的自推进平衡计算和全尺寸功率预测提供一致的阻力基准，选择了比例尺为 31.6 的 KCS 船体作为基准船型。KCS 是一种广泛应用于船舶 CFD 研究的标准集装箱船模型，已被广泛用于阻力、自推进和功率性能的验证。

结论
本研究系统地研究了优化环形螺旋桨的流体力学性能、自推进特性、初步空化行为、静态结构响应和工程潜力。首先建立了完全参数化的几何模型和多目标优化框架，然后将优化设计的开放水域性能与传统 KP505 螺旋桨进行了比较。优化后的环形螺旋桨实现了显著的性能提升。

作者贡献声明
余 lu：监督、项目管理、方法论、调查、形式分析、概念化
涂一朗：验证、监督、资源管理、项目管理、资金筹措、数据整理

利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢
本研究得到了国家自然科学基金一般项目（编号 52171293）和中央高校基本科研业务费（编号 3132025117 和 3132023516）的支持。

参考文献
[此处列出相关参考文献]