基于Visual Basic 6.0的螺旋槳設(shè)計(jì)及性能預(yù)報(bào)軟件

徐欣偉 葉恒奎 管延敏

華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢 430074

基于Visual Basic 6.0的螺旋槳設(shè)計(jì)及性能預(yù)報(bào)軟件

徐欣偉 葉恒奎 管延敏

華中科技大學(xué)船舶與海洋工程學(xué)院，湖北武漢 430074

隨著船舶行業(yè)的不斷發(fā)展，迫切需要一種設(shè)計(jì)軟件來提高螺旋槳的設(shè)計(jì)效率。基于Visual Basic6.0開發(fā)平臺，結(jié)合Fortran和動(dòng)態(tài)鏈接庫技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了螺旋槳設(shè)計(jì)及水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)軟件的設(shè)計(jì)。軟件運(yùn)用升力線理論完成了螺旋槳的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，進(jìn)而運(yùn)用升力面理論對螺旋槳的性能進(jìn)行了預(yù)報(bào)。該軟件界面友好、功能完善、可視性強(qiáng)，試驗(yàn)結(jié)果證明，能快速準(zhǔn)確地進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)及性能預(yù)報(bào)，提高了螺旋槳的設(shè)計(jì)效率，具有良好的使用性。

Visual Basic 6.0；動(dòng)態(tài)鏈接庫；螺旋槳；升力線；升力面

1 引言

隨著航運(yùn)業(yè)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代船舶不斷向大型化、高速化方向發(fā)展，螺旋槳［1］作為在現(xiàn)代船舶上應(yīng)用最廣泛的推進(jìn)器，其性能優(yōu)劣在整個(gè)船舶設(shè)計(jì)過程中具有舉足輕重的地位［2］。船舶螺旋槳理論研究是用流體力學(xué)的理論方法來解決螺旋槳的理論設(shè)計(jì)和性能計(jì)算問題，其力學(xué)模型主要有螺旋槳升力線理論、升力面理論［3］和面元法［4-5］。本文運(yùn)用升力線理論和升力面理論制作了螺旋槳設(shè)計(jì)及性能預(yù)報(bào)軟件，能在已知船型參數(shù)的情況下進(jìn)行螺旋槳設(shè)計(jì)，并且能與現(xiàn)有螺旋槳進(jìn)行對比和優(yōu)化。

2 軟件概述

螺旋槳設(shè)計(jì)及性能預(yù)報(bào)軟件主要適用于船舶螺旋槳設(shè)計(jì)及優(yōu)化，由Visual Basic調(diào)用動(dòng)態(tài)鏈接庫（Dynamic Link Library）來實(shí)現(xiàn)。Visual Basic是由美國微軟公司開發(fā)的一種可視化、面向?qū)ο蠛筒捎檬录?qū)動(dòng)方式的結(jié)構(gòu)化高級程序設(shè)計(jì)語言，可以高效、快速地開發(fā)在Windows環(huán)境下功能強(qiáng)大、圖形界面豐富的應(yīng)用軟件系統(tǒng)。動(dòng)態(tài)鏈接庫是可被其他程序或動(dòng)態(tài)鏈接庫調(diào)用的由函數(shù)（過程）集合組成的可執(zhí)行文件模塊，它本身并不能運(yùn)行，只能被Visual Basic和Visual C++等其它語言調(diào)用［6］。本文嘗試將Visual Basic應(yīng)用到螺旋槳設(shè)計(jì)及優(yōu)化中，收到了良好的效果。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件的構(gòu)成

根據(jù)螺旋槳設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，本軟件分為兩個(gè)部分，即升力線理論設(shè)計(jì)和升力面理論設(shè)計(jì)。通過采用這種方式，用戶可以通過以上方式從不同的方面來對螺旋槳進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化。軟件的主要功能如下：

1）用螺旋槳升力線理論設(shè)計(jì)船用螺旋槳；

2）進(jìn)行船用螺旋槳強(qiáng)度分析計(jì)算；

3）進(jìn)行船用螺旋槳總圖繪制［7］；

4）用定常升力面理論計(jì)算螺旋槳的水動(dòng)力性能。

3.2 軟件結(jié)構(gòu)圖

軟件的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 軟件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Software structure

3.3 動(dòng)態(tài)鏈接庫的實(shí)現(xiàn)

用Fortran函數(shù)創(chuàng)建一個(gè)動(dòng)態(tài)鏈接庫，其步驟為：首先建立一個(gè)新的Fortran的工程，在project中選擇Fortran Dynamic Link Library，然后將所需要的Fortran代碼添加進(jìn)去，編譯之后，就會(huì)在Debug文件夾中產(chǎn)生動(dòng)態(tài)鏈接庫。若需調(diào)用，只需將.dll和.lib文件添加到所需的文件夾中即可［8］。以下為兩個(gè)數(shù)求和的實(shí)現(xiàn)。

ATTRIBUTES是Fortran用于聲明微軟擴(kuò)展屬性的元命令，DLLEXPORT的作用是聲明該函數(shù)或子程序能被其他程序或動(dòng)態(tài)鏈接庫調(diào)用。其中，ATTRIBUTES和DLLEXPORT必須大寫。abc為動(dòng)態(tài)鏈接庫名。

Visual Basic在調(diào)用Fortran動(dòng)態(tài)鏈接庫時(shí)，首先應(yīng)在Visual Basic相應(yīng)的Form中對被調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫進(jìn)行聲明，語法為Private Declare Sub abc Lib＂abc.dll＂（a As integer，b As integer，c As integer）。其中，Declare語句的作用是聲明對動(dòng)態(tài)鏈接庫的引用，abc Lib和abc.dll是動(dòng)態(tài)鏈接庫的名字。

3.4 升力線理論設(shè)計(jì)

在升力線理論設(shè)計(jì)中，螺旋槳環(huán)流理論設(shè)計(jì)有兩種方法：一種為近似法，另一種為精確法。這兩種方法的差別主要是在周向和軸向誘導(dǎo)速度的處理，以及升長系數(shù)和環(huán)量計(jì)算方面有所不同，其他設(shè)計(jì)方法基本一致［9］。本文依據(jù)上述理論和方法進(jìn)行了螺旋槳設(shè)計(jì)，并在此過程中將兩種方法求得的周向和軸向誘導(dǎo)速度、環(huán)量分布和升長系數(shù)進(jìn)行了對比。

3.4.1 近似法

引入假定：螺旋槳尾流不收縮、忽略徑向誘導(dǎo)速度、總的誘導(dǎo)速度與入流速度垂直等，按照上述假定，軸向和切向誘導(dǎo)速度之間有簡單的三角關(guān)系表達(dá)式，且與哥爾斯坦函數(shù)k相關(guān)，Kramer曲線用來作為螺旋槳效率的第一次近似，以便于初步估算螺旋槳的水動(dòng)螺距角。

推力系數(shù)：

將推力系數(shù)CT轉(zhuǎn)化為理想推力系數(shù)CTi：

利用Kramer建立的敞水最佳螺旋槳理想效率曲線，由理想推力系數(shù)和進(jìn)速系數(shù)便可獲得理想效率。

對于螺旋槳的進(jìn)角，有

對于螺旋槳的水動(dòng)螺距角，有

對于非最佳均勻流螺旋槳，Kramer曲線可以用作第一次近似。用Kramer曲線可獲得在0.7半徑處的tanβi，它是徑向任意螺距分布的基礎(chǔ)。

推力系數(shù)CTi可以用下式進(jìn)行計(jì)算：

式中，k為哥爾斯坦函數(shù)；λi＝xtanβi；xh為槳轂處的無因次半徑；ut為切向誘導(dǎo)速度。

對于非粘性流，首先用Kramer曲線獲得理想效率ηi，作為估計(jì)值，可根據(jù)下式來計(jì)算水動(dòng)螺距角。

推力系數(shù)CTSi可以用下式進(jìn)行計(jì)算：

3.4.2 精確法

在用精確法進(jìn)行螺旋槳升力線理論設(shè)計(jì)過程中，與近似法的不同之處主要在于，精確法計(jì)算了誘導(dǎo)因子、周向和軸向誘導(dǎo)速度，以及環(huán)量分布和升長系數(shù)。因此，計(jì)算程序除了以上差別外，其他部分完全相同。

在本軟件的設(shè)計(jì)中，采用了如下6種不同的方法來進(jìn)行設(shè)計(jì)和比較：

1）均勻水流中的最佳環(huán)量螺旋槳設(shè)計(jì)計(jì)算（近似法）；

2）適應(yīng)伴流中的最佳環(huán)量螺旋槳設(shè)計(jì)計(jì)算（近似法）；

3）均勻水流中的最佳環(huán)量螺旋槳設(shè)計(jì)計(jì)算（精確法）；

4）適應(yīng)伴流中的最佳環(huán)量螺旋槳設(shè)計(jì)計(jì)算（精確法）；

5）均勻水流中的任意環(huán)量螺旋槳環(huán)量分布（精確法）；

6）適應(yīng)伴流中的任意環(huán)量螺旋槳環(huán)量分布（精確法）。

界面如圖2所示。

3.5 升力面理論設(shè)計(jì)

升力面法適用于槳葉較厚、彎度較大的螺旋槳，而且還可計(jì)算其槳葉表面的壓力分布。其理論設(shè)計(jì)主要是利用定常升力面理論計(jì)算方法來計(jì)算螺旋槳的水動(dòng)力特性［10］。依據(jù)網(wǎng)格劃分法，劃分槳葉渦網(wǎng)格如下。

在葉片區(qū)，在槳葉拱弧面上共劃分MB×NB個(gè)四邊形渦網(wǎng)格，在每個(gè)渦網(wǎng)格的弦向和徑向邊上都進(jìn)行渦分布，并在徑向邊上進(jìn)行源分布［11］，如圖3所示。

在徑向渦線段上分布源匯，是為了表示葉剖面厚度的影響。由于徑向環(huán)量是處于輻向平面上，根據(jù)海姆霍茲定理，在徑向渦線的兩端，一定有自由渦線引出來，自由渦線沿著相鄰上下弦向線延伸到隨邊，然后，在隨邊后順著尾渦方向繼續(xù)向后延伸，自由渦線與徑向渦線一起構(gòu)成一個(gè)馬蹄形渦。因此，可以用葉面徑向馬蹄形渦分布來代替葉面四邊形渦網(wǎng)格分布，這樣，葉面上就共有MB×NB個(gè)馬蹄形渦及MB×NB個(gè)源匯［12］，如圖4所示。

葉片上下表面總的誘導(dǎo)速度分別為：

上表面：

界面如圖5所示。

4 計(jì)算實(shí)例

4.1 升力線實(shí)例

以“最佳環(huán)量敞水螺旋槳（近似法）”為例，已知參數(shù)如下：

1）槳型參數(shù)：槳型為NACA－66型，槳葉數(shù)為5，螺旋槳直徑3.81 m，轉(zhuǎn)速300 r／min，空泡裕度為0，槳軸中心水下深度為3.658 m。

2）環(huán)境及材料參數(shù)：水密度為1 025 kg／m3，材料許用應(yīng)力86.21 MPa。

3）動(dòng)力參數(shù)：軸馬力為32 600 hp，轂徑比為0.2，船舶航速35 kn，推力減額0.05，螺旋槳單槳阻力889 600 N。

經(jīng)運(yùn)行程序進(jìn)行計(jì)算后，得到的結(jié)果如表1、表2所示。

經(jīng)過升力線優(yōu)化后的螺旋槳CAD圖如圖6所示。

4.2 升力面實(shí)例

1）在進(jìn)行升力面理論計(jì)算時(shí)，選用DTRC 4119型螺旋槳，進(jìn)速系數(shù)0.833，遠(yuǎn)尾流梢渦螺距角20.34，過渡尾流區(qū)外螺距角18.14。

表1 螺旋槳幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of propeller

表2 水動(dòng)力參數(shù)Tab.2 Hydrodynamic parameters

程序計(jì)算結(jié)果如表3所示，與試驗(yàn)結(jié)果相比，誤差在5%以內(nèi)。升力面計(jì)算網(wǎng)格如圖7所示，槳坡面壓力分布系數(shù)如圖8、圖9所示。

5 結(jié)束語

表3 DTRC4119螺旋槳計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的比較Tab.3 The results of propeller DTRC4119 compared with the experiment results

將Visual Basic應(yīng)用于螺旋槳設(shè)計(jì)及性能預(yù)報(bào)軟件的開發(fā)中，不僅界面友好，而且還能提供多種螺旋槳設(shè)計(jì)方式以及CAD繪圖的輸出，能將圖形直觀地予以顯示，大大提高了螺旋槳設(shè)計(jì)開發(fā)的速度，具有良好的使用價(jià)值。

該軟件計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，與試驗(yàn)結(jié)果相比，誤差在5%以內(nèi)。

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Development of Propeller Design and Performance Prediction Software Based on Visual Basic 6.0

Xu Xin－weiYe Heng－kuiGuan Y an-min
College of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

High efficient design software is increasingly important to the development of propeller as much progress has been made in the ship industry.The propeller design software integrated with prediction of hydrodynamic performance was developed in the Visual Basic 6.0，coupled with the Fortran and dynamic link library technology.This user－friendly software use lifting line method to realize propeller design and optimization，and then by lifting surface method to predict hydrodynamic performance.The experiment results proof that the software provides benefits in the following：complete functions and high level of visual effect and good usability in rapid and accurate predictions and design.

Visual Basic 6.0；dynamic link library；propeller；lifting line；lifting surface

U661.1

A

1673－3185（2011）02－46－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.009

2010-06-08

徐欣偉（1987－），男，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋水動(dòng)力分析。E-mail：xxw1987＠foxmail.com葉恒奎（1946－），男，教授，博士生導(dǎo)師。研究方向：水動(dòng)力學(xué)研究。E-mail：yhk484388＠sina.com