扭曲舵設計及性能分析*

王友乾 葉金銘 王 威

(海軍工程大學艦船工程系 武漢 430033)

扭曲舵設計及性能分析*

王友乾 葉金銘 王 威

(海軍工程大學艦船工程系 武漢 430033)

對螺旋槳建模及網格劃分并在Star-CCM軟件里進行水動力性能計算，根據槳的尾流場提取出每個舵葉剖面的扭曲角度、設計的扭曲舵.數值計算了不同舵角下扭曲舵和普通舵所受到的橫向力、轉矩，以及舵吸力面的壓力分布，分析扭曲舵相比普通舵的舵力性能優(yōu)勢及抗空化性能.計算結果表明，扭曲舵的受力狀態(tài)相對普通舵有明顯改善，提高了舵的空化的初始航速，同時對船的直航性和舵的操縱性能有提升.

扭曲舵；Star-CCM；舵水動力性能；螺旋槳；壓力分布

0 引 言

水面船的舵布置在螺旋槳后方，螺旋槳尾流場存在旋轉分量，普通舵設計未充分考慮螺旋槳旋轉尾流特點，導致普通舵在空化、振動及操縱性方面存在一定問題.針對普通舵的這些問題，扭曲舵根據槳后尾流場分布情況在不同高度的剖面偏轉一個角度，使之與槳后尾流場有更充分的配合，進而提高和改善船舶的推進和操作性能，改善舵在槳尾流中存在的空化、振動問題.

在國內，董國祥[1-5]等對扭曲舵的研究成果表明，扭曲舵[6]在水動力性能、助推效率、抗空化性能方面都優(yōu)于普通舵，在0°舵角時同時扭曲舵可以明顯的減少舵上的橫向力和舵軸的轉矩，改善舵軸的受力，有利減輕了多軸及舵機系統(tǒng)[7]的負荷.

1 基于Star-CCM 軟件的槳后尾流場計算精度驗證

1.1 槳的參數

以DTRC4119槳為研究模型，在三維軟件solidworks建模，分別用ICEM軟件生成結構網格模型和Star-CCM軟件生成非結構網格模型，再統(tǒng)一用Star-CCM軟件進行邊界條件的、湍流模型選擇和求解控制參數進行選擇和設置，對螺旋槳進行尾流場模擬計算，與試驗值對比進行校核本文的精度.

DTRC4119槳主尺寸參數見表1.

1.2 網格劃分

用ICEM軟件生成的DTRC4119槳的結構網格，見圖1.

圖1 DTRC4119槳的結構網格

用Star-CCM軟件生成的DTRC4119槳的非結構網格見圖2.

圖2 DTRC4119槳的非結構網格

一般而言，結構網格生成質量好，網格的劃分比較耗時；非結構網格生成速度快，但計算速度和網格質量與結構網格相比都會下降.

1.3 尾流場計算

用Star-CCM軟件計算螺旋槳DTRC4119在x/R=0.295，r/R=0.7處的速度分布，計算結果與實驗的對比，見圖3～5.

圖3 軸向速度

圖4 切向速度

圖5 徑向速度

從圖3～5可見，2種網格的計算值與實驗者吻合比較好，只是在對應于螺旋槳尾渦面的峰值處差距較大，這是由于本文假設尾渦面是零厚度，而在實際流場中，尾渦面是有一定厚度的，因此,實驗結果的峰值范圍較計算值為寬，在尾渦面內峰值葉較大[8].

計算結果表明，結構網格和非結構網格計算結果與實驗吻合非常好，Star-CCM軟件生成的非結構網格滿足水動力性能計算要求，為后面扭曲舵的設計和水動力性能計算做準備.

2 扭曲舵的設計

2.1 理論設計

扭曲舵的理論設計是在槳的參數基礎上確定舵的主要參數，在設計的工況下求出螺旋槳尾流場的誘導速度后，而后進行扭曲舵的設計.在扭曲舵設計中不考慮槳舵之間的相互影響，以及舵對槳尾流場誘導速度的影響.根據舵位置處的槳產生的誘導速度來分析舵的來流速度以及攻角情況.

在敞水條件下，采用笛卡爾坐標系，舵的導邊到隨邊為x方向，舵的橫向為z方向，舵展長y方向；設螺旋槳轉數為n，入口來流速度為vs，螺旋槳在舵位置產生的誘導速度分別為vx，vy，vz，當舵角為零時，舵葉元體的來流vR為

(1)

舵葉元體來流水平面上的分量v為

(2)

根據vx和vz計算出舵葉元體的來流攻角，見圖6.β為來流vR在x-z水平面上的分量v與水平線上的夾角；θ為舵的葉元體翼玹與水平夾角，來流攻角為β-θ.

(3)

圖6 舵葉元體來流分析

2.2 扭曲舵模型設計

2.2.1 計算對象

在敞水條件下，以某槳的尾流場來設計扭曲舵，槳的主要參數見表2.

表2 槳的主要參數

用Star-CCM對某槳進行非結構網格生成、邊界條件設置、湍流模型選擇、求解器參數設置.各項數值格式和選項設置見表3.

表3 各項參數設置

為避免外域對槳內域的干擾，外域尺寸直徑為1 400 mm，入口段長度為1 000 mm，出口段為長度為3 400 mm.內外域網格見圖7.

圖7 內外域網格

2.2.2 舵位置處的誘導速度

使用Star-CCM對某槳進行水動力性能計算，槳后舵安裝位置見圖8，選擇20個誘導速度采集點見圖9.

圖8 舵的位置

圖9 槳后誘導速度采集點

在敞水狀況下，用Star-CCM軟件計算槳的定常尾流場.外域和槳旋轉域總網格數為160萬時，舵位置處水平方向誘導速度vx，vz沿舵軸方向分布見圖10.

圖10 誘導速度vx，vz沿舵軸方向分布

根據誘導速度vx和vz計算出扭曲舵每個舵葉元體的扭曲角度.考慮到網格數對尾流場精度計算影響，以及結構網格和非結構網格的計算結果的差別.

分別進行5組計算，每一組的網格數或網格類型不同，對比分析設計得到扭曲舵扭曲角度，見圖11，L為舵葉展長.

圖11 不同組計算結果比較

由圖11可知，不同組計算的扭轉度數差距不大，5組計算結果曲線基本吻合，說明單純改變網格類型及增加網格數量對設計的舵葉元體扭轉度數影響不大.

文中在扭曲舵設計中，考慮到計算的工況較多，計算量大情況.選擇網格數最少的第一組作為計算基礎.

2.2.3 扭曲舵的建模

在不改變普通舵的基本主尺度條件下，對普通舵沿展長方向等分為20站見圖12.

根據槳的尾流場計場計算出每站舵葉元扭曲角度，在普通舵的基礎上扭轉舵葉元體，生成扭曲舵見圖13.

圖12 普通舵

圖13 扭曲舵

2.2.4 扭曲舵水動力性能計算

槳和舵的計算域見圖14.在Star-CCM軟件中選擇MRF運動坐標系模型，進口邊界設定為速度進口條件，出口邊界為壓力出口，螺旋槳和舵表面為無滑移無邊界，旋轉域和靜止域交界處為交換面.

圖14 槳和舵的計算域

流體假定為恒溫不可壓縮流體，計算中選SSTk-ε湍流模型[9]，對旋轉MRF模型初算出流場，再用滑動網格模型[10]完成計算.

入口來流速度設置為4.8 m/s，螺旋槳的轉速n=1 200 r/min，分別在不同舵角下對普通舵和扭曲舵進行共數值計算.計算工況見表4.

表4 計算工況

3 計算結果及分析

3.1 計算結果

舵角為負數表示打右舵，正數為打左舵，Fz為舵所受的橫向力、M為舵受到的轉矩.計算結果見圖15.

圖15 舵的橫向力

由圖15可知，扭曲舵的橫向力分布對稱性相比普通舵更好，扭曲舵在6個不同舵角中受到的最大轉矩為2.8 N·m，普通舵的最大轉矩為3.4 N·m.結果表明,扭曲舵可以減輕舵控制結構的負荷，也有利于改善船的操縱性.

3.2 舵的橫向力

一般而言，裝配普通舵的船，直航時由于槳尾流的不均勻性，必須打一定舵角才能保證船的直航性能.扭曲舵是根據槳后不均勻尾流場來設計的， 在0°舵角時，扭曲舵的橫向力為-0.4 N相比普通舵為-45.6 N，數值上相差極大，扭曲舵對船的直航性能改善明顯；扭曲舵和普通舵的轉矩分別為-0.01,-0.9 N·m，扭曲舵的轉矩相比普通舵縮小了90倍.

計算結果表明，扭曲舵在0°的受力狀態(tài)有明顯改善，提升船的直航性能.

3.3 壓力分布計算結果與分析

在0°舵角條件下，入口來流速度為4.8 m/s，螺旋槳以1 200 r/min工況下，對普通舵和扭曲舵的壓力分布進行比較分析.圖16為2種舵的吸力面壓力分布.

圖16 2種舵的吸力面壓力分布

從壓力分布圖可以看出，扭曲舵的負壓力峰值比普通舵明顯小，負壓峰值分布相比普通舵更均勻，有利于舵的抗空化性能.

為了更加清晰地區(qū)分扭曲舵和普通舵的負壓峰值的分布情況，取負壓峰值分布較為集中的y=0.5L展長向位置的截面進行壓力分布比較，見圖17.

圖17 y=0.5L展長位置

從y=0.5L展長壓力分布情況可以比較出，普通舵的負壓峰值在-15 kPa左右，而扭曲舵的負壓峰值在-10 kPa左右，負壓值幅度明顯降低，降幅到達33%，表明扭曲舵可以明顯的抑制舵空化.

4 結 束 語

文中對扭曲舵和扭曲舵進行數值計算，在相同的計算工況下，比較分析了扭曲舵和普通舵的壓力分布，計算結果表明扭曲舵有更好地抗空化性能在相同工況下可以提高舵的空化起始航速.

通過對扭曲舵和普通舵在不同舵角情況下的舵力、轉矩進行初步分析研究，計算結果表明，在0°舵角時扭曲舵相比普通舵可以明顯的減少舵所受的橫向力和舵軸的轉矩，改善舵軸的受力，有利減輕舵軸及舵機系統(tǒng)的負荷，同時對船的直航性能有很大提高.后續(xù)將在現有研究基礎上進一步對扭曲舵、槳、船體3者裝配下的空泡、操縱性能數值計算分析.

[1]董國祥.助推節(jié)能扭曲舵的理論預報[J].船舶，1994(6):58-63

[2]祝享元，黃勝，郭春雨，等.槳后扭曲舵的理論設計及水動力性能計算[J].哈爾濱工程大學學報,2008，29(2)：126-129.

[3]劉登成，黃國富.高效扭曲舵水動力特性數值分析[C].第十一屆全國水動力學學術會議，中國,無錫:2011.

[4]葉金銘，王威，李淵.抗空化扭曲舵設計及力學特性研究[C].2015年船舶水動力學會議，中國,哈爾濱:2015.

[5]朱軍，曾廣會，黃昆侖.扭曲舵的水動力性能特性計算研究[C].2007年船舶力學學術會議暨《船舶力學》創(chuàng)刊十周年紀念學術會議論文集，中國,銀川:2007.

[6]WANG Chao, HE Miao, WANG Guoliang, et al. Design and performance analysis of twisted rudder based on the maximum reduction of rudder resistance[J]. Journal of Ship Mechanics,2014(4):55-59.

[7]齊慧博.扭曲舵的水動力性能研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學，2010.

[8]蘇玉民，黃勝.船舶螺旋槳理論[M].哈爾濱:哈爾濱工程大學出版社，2003.

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[10]王福軍.計算流體動力學分析：CFD軟件原理與應用[M].北京：清華大學出版社，2004.

Skew Rudder Design and Performance Analysis

WANG Youqian YE Jinming WANG Wei

(DepartmentofNavalArchitectureEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

The hydrodynamic performance of propeller is analyzed by Star-CCM software. The skew rudder is designed according to the angle of each blade profile in propeller wake field. Transverse force, torque and rudder pressure distribution on the suction surface of skew rudder and ordinary rudder with different rudder angle are calculated to analyze the rudder force performance and cavitation resistance of the skew rudder. The calculation results show that the stress of the skew rudder has improved significantly compared with ordinary rudder. And the initial speed of the rudder cavitation has increased. Besides, the skew rudder improves the direct manipulation performance and steering performance of ship.

skew rudder; Star-CCM; hydrodynamic performance of the rudder; propeller; pressure distribution

2016-11-09

*國家自然科學基金項目資助(51579243)

U661.3

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.023

王友乾(1992—)：男，碩士生，主要研究領域為艦船流體力學