扭曲舵水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算和自航約束模試驗(yàn)測(cè)量研究

王 威，葉金銘

（海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢430033）

扭曲舵水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算和自航約束模試驗(yàn)測(cè)量研究

王 威，葉金銘

（海軍工程大學(xué) 艦船工程系，武漢430033）

建立了槳后舵水動(dòng)力的CFD數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)兩種舵的壓力分布和舵力進(jìn)行了比較，結(jié)果顯示扭曲舵可以明顯減小0°舵角時(shí)舵上的橫向力和舵軸扭矩。在拖曳水池中進(jìn)行了自航約束模舵力測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)扭曲舵和普通舵的舵力進(jìn)行了測(cè)量，試驗(yàn)結(jié)果也表明，在0°舵角時(shí)，扭曲舵上的受力狀態(tài)得到明顯改善。將舵力的數(shù)值計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，兩者有較好的一致性，說(shuō)明建立的數(shù)值計(jì)算方法可以對(duì)槳后舵舵力進(jìn)行較好的模擬計(jì)算。

扭曲舵；螺旋槳；三分力；自航試驗(yàn)

0 引 言

普通舵位于螺旋槳后面，舵面呈對(duì)稱(chēng)形式，未考慮到螺旋槳引起的旋轉(zhuǎn)尾流，螺旋槳尾流的能量未能充分利用，還會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生比較嚴(yán)重的空泡現(xiàn)象，引起舵面空化剝蝕，空化后舵效也會(huì)明顯降低，另外，舵的空化還會(huì)產(chǎn)生較大的噪音，引起舵和尾部結(jié)構(gòu)振動(dòng)等一系列不利影響，因此研究提高舵的抗空化性能，對(duì)提高舵效和操縱性、抑制空化剝蝕、降低舵引起的振動(dòng)和噪音是非常必要的。最早提出扭曲舵思想的是Tutin，其基本思想是充分利用螺旋槳尾流的能量，提高推進(jìn)效率。現(xiàn)在國(guó)內(nèi)對(duì)扭曲舵在節(jié)能增效方面的研究進(jìn)行得較多。董國(guó)祥[1]用升力面方法計(jì)算了扭曲舵的水動(dòng)力性能，徐一軍對(duì)扭曲舵的節(jié)能可行性進(jìn)行行了探討[2]，黃勝、郭春雨、王超等人[3-6]采用面元法計(jì)算槳后扭曲舵的水動(dòng)力性能，助推效率可以達(dá)到3%，劉登成等[7]用CFD方法對(duì)不同扭曲舵設(shè)計(jì)方案的節(jié)能效果進(jìn)行了計(jì)算比較。根據(jù)螺旋槳尾流場(chǎng)特點(diǎn)將舵設(shè)計(jì)成扭曲舵可以有效解決舵上的空化剝蝕問(wèn)題[8]，美國(guó)海軍科學(xué)辦公室在大型空泡筒中對(duì)扭曲舵與普通舵模型進(jìn)行了對(duì)比實(shí)驗(yàn)，模擬船舶伴流、船槳干擾以及給予模型較高的流速使其獲得高雷諾數(shù)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)扭曲舵的水動(dòng)力性能和常規(guī)舵相比有明顯的提高，扭曲舵比常規(guī)舵更不易發(fā)生空泡剝蝕，扭曲舵對(duì)于補(bǔ)償由推進(jìn)器與船體引起的來(lái)流攻角非常有效[9-10]，同時(shí)，其升力性能并不亞于常規(guī)舵。目前這種扭曲舵已經(jīng)用于阿利伯克級(jí)導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的至少三艘艦艇上（DDG84，DDG104，DDG108），如圖1所示，使用后證實(shí)這種舵能有效降低舵上的空化剝蝕和激振力，國(guó)內(nèi)湯正兵、朱軍將螺旋槳的影響假設(shè)成具有一定攻角的來(lái)流，簡(jiǎn)單預(yù)估了扭曲舵的空泡起始航速，但總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)在扭曲舵節(jié)能增效方面研究得較多，而在扭曲舵抗空化方面研究得較少。葉金銘等人[11]對(duì)抗空化扭曲舵進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)普通舵和扭曲舵在不同工況、不同舵角條件下的壓力分布進(jìn)行了計(jì)算比較。比較結(jié)果顯示，扭曲舵的負(fù)壓力峰值比普通舵明顯小，可以大幅提高舵的抗空化性能。

本文主要從操縱性的角度對(duì)舵水動(dòng)力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并在拖曳水池中進(jìn)行了自航約束模試驗(yàn)，對(duì)普通懸掛舵和扭曲舵的舵力進(jìn)行了測(cè)量，將舵力的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，旨在通過(guò)數(shù)值和試驗(yàn)測(cè)量的方法，分析扭曲舵的舵力特性，從而研究扭曲舵的受力狀態(tài)以及對(duì)操縱性能的影響。

1 舵水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算研究

1.1 扭曲舵的設(shè)計(jì)

研究對(duì)象為某水面船，該船雙槳雙舵，船模水線(xiàn)長(zhǎng)為4.712 m，對(duì)應(yīng)實(shí)船設(shè)計(jì)航速船模速度為2.739m/s，螺旋槳為五葉槳，螺旋槳轉(zhuǎn)速為1 070 rpm。

通過(guò)面元法計(jì)算出螺旋槳后不同盤(pán)面半徑處的流體速度，再通過(guò)線(xiàn)性插值的方法，可以得到舵面上不同展向位置的橫向速度，通過(guò)不同展向位置的橫向速度與軸向速度便得到扭曲舵的扭曲角度。通過(guò)這種方法對(duì)某型船的舵進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)扭曲舵時(shí)，舵的弦長(zhǎng)與安裝位置均不改變，只改變舵面上不同展向位置的扭曲角度。

用面元法計(jì)算得到的某型船螺旋槳后在舵軸盤(pán)面處各半徑的流體速度，通過(guò)插值方法得到不同展長(zhǎng)位置的橫向速度，通過(guò)橫向速度可以得到扭曲舵的扭曲角度，設(shè)計(jì)扭曲舵三維視圖如圖1所示。

表1 計(jì)算工況Tab.1 The calculation condition

圖1 扭曲舵扭曲角度分布及三維圖形Fig.1 The twisted angle distribution and 3D graphic of twisted rudder

1.2計(jì)算建模方法和計(jì)算工況

建立某型船模型尺度下螺旋槳和舵的整體計(jì)算模型，為了使網(wǎng)格數(shù)量較少，同時(shí)又保證網(wǎng)格質(zhì)量和計(jì)算精度，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)混合型網(wǎng)格劃分方法，在螺旋槳附近的區(qū)域內(nèi)采用非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分較密，而在其他區(qū)域采用網(wǎng)格質(zhì)量很高的結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，整個(gè)計(jì)算域分為靜止部分和旋轉(zhuǎn)部分，兩個(gè)部分都有自己獨(dú)立的網(wǎng)格形式和分界面（如圖2），整個(gè)計(jì)算網(wǎng)格數(shù)為810萬(wàn)，采用k-ωSST湍流模型。

圖2 計(jì)算網(wǎng)格劃分情況Fig.2 The calculationmesh

1.3 壓力分布計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)普通舵和扭曲舵的在不同工況、不同舵角條件下的壓力分布進(jìn)行了比較。在Vm=2.739m/s，nm= 1 070 rpm工況條件下，兩種舵面在各展向位置舵剖面壓力分布如圖3所示。

圖3 兩種舵壓力分布比較Fig.3 The pressure comparison of two rudders

從壓力分布的比較結(jié)果可以看出，扭曲舵在不同航速不同舵角下負(fù)壓力峰值均比普通舵明顯減小，這說(shuō)明扭曲舵可以有效抑制舵空化，提高舵上的空化起始航速。

另外，在各航速工況下，0°舵角時(shí)，普通舵葉背壓力比葉面壓力明顯低，而扭曲舵葉背壓力分布基本上與葉面壓力分布重合，壓力成對(duì)稱(chēng)分布，這種特點(diǎn)不僅使得扭曲舵的負(fù)壓力峰值明顯減小，而且會(huì)使艦船直航時(shí)扭曲舵上的橫向力和舵軸力矩也會(huì)比普通舵小很多，舵橫向力和舵軸力矩的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，從表中可以看出在舵角為0°時(shí)，扭曲多舵軸上的橫向力和舵軸力矩比普通舵小得多，基本上小一個(gè)數(shù)量級(jí)，而且只要進(jìn)一步對(duì)扭曲舵進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)即可以使得0°舵角時(shí)扭曲舵上的橫向力和舵軸扭矩基本為零，由于艦船航行時(shí)直航是主要工作狀態(tài)，扭曲舵的這種受力特性對(duì)舵的受力和舵機(jī)的負(fù)荷是有利的。

2 自航約束模舵力測(cè)量試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)基本情況

為了驗(yàn)證扭曲舵對(duì)舵橫向力和舵軸的改善效果，在華中科技大學(xué)拖曳水池中進(jìn)行了約束模自航航舵力測(cè)量試驗(yàn)，比較分析扭曲舵和普通舵的舵力特性。

試驗(yàn)對(duì)象為前文所述的水面船，試驗(yàn)在華中科技大學(xué)船模試驗(yàn)水池進(jìn)行。該水池是國(guó)際船模水池會(huì)議I.T.T.C的正式成員單位，水池尺度為：長(zhǎng)×寬×深=175×6×4（m）。

采用三分力測(cè)力傳感器對(duì)舵力進(jìn)行測(cè)量，可以測(cè)量舵的縱向力Fx，橫向力Fz以及舵軸扭矩My。圖4和圖6分別為普通舵和扭曲舵安裝圖；圖5和圖7分別表示普通舵和扭曲舵在不同舵角時(shí)的船尾流場(chǎng)。

2.2 試驗(yàn)步驟

試驗(yàn)前在拖車(chē)上固定好船模，保證船模沒(méi)有縱傾和橫傾。

2.2.1 普通舵舵力測(cè)量試驗(yàn)步驟

（1）打開(kāi)舵力測(cè)量記錄軟件，開(kāi)始記錄；

（2）啟動(dòng)全數(shù)字化測(cè)控系統(tǒng)，調(diào)整螺旋槳轉(zhuǎn)速雙車(chē)至1 070 rpm，操舵角為0°；

（3）開(kāi)動(dòng)拖車(chē)速度至2.739m/s，保持拖車(chē)速度穩(wěn)定至試驗(yàn)結(jié)束；

（4）拖車(chē)回到出發(fā)點(diǎn)，重復(fù)步驟（1）、（2）、（3）4至5次；

表2 普通舵和扭曲舵橫向力及舵軸力矩比較Tab.2 Force comparison of two rudders

圖4 普通舵安裝圖Fig.4 The ordinary rudder at ship model

圖5 普通舵不同舵角時(shí)船尾流場(chǎng)Fig.5 Thewake behind ship mode at different rudder angles of ordinary rudder

2.2.2 扭曲舵舵力測(cè)量試驗(yàn)步驟

普通舵舵力測(cè)量完成后，吊裝船模，更換普通舵為扭曲舵，重新在拖車(chē)上固定好船模，進(jìn)行舵力測(cè)量試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟與普通舵完全相同。

圖6 扭曲舵安裝圖Fig.6 The installation of twisted rudder

圖7 扭曲舵不同舵角時(shí)船尾流場(chǎng)Fig.7 Thewake behind ship mode at different rudder angles of twisted rudder

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)測(cè)量后，對(duì)每次的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析，剔除不正常的測(cè)量結(jié)果，然后將正常的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行平均處理，普通舵和扭曲舵在0°舵角時(shí)測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表3，表中Fx為軸向力，F(xiàn)z為橫向力，My為舵軸力矩。

表3 0°舵角時(shí)舵力測(cè)量結(jié)果Tab.3 The test results of three-com ponent force at 0°rudder angle of the ordinary rudder

圖8 普通舵和扭曲舵0°舵角下舵力測(cè)量比較結(jié)果Fig.8 The comparison of rudder force test results at0°angle between the ordinary rudder and the twisted rudder

從表2可以看出，在0°舵角時(shí)，普通舵上的橫向力分別為-5.26 N（左舵）和6.53 N（右舵），扭曲舵上的橫向力分別為-0.5 N（左舵）和-0.28 N（右舵），扭曲舵上的橫向力明顯比普通舵??；普通舵舵軸力矩分別為-20.35 Ncm（左舵）和15.21 Ncm（右舵），扣除漂移后扭曲舵的舵軸力矩分別為-3.02 Ncm（左舵）和2.27 Ncm（右舵），因此扭曲舵舵軸上的力矩也比普通舵明顯小。這說(shuō)明在0°舵角時(shí)，扭曲舵上的受力狀態(tài)得到明顯改善，對(duì)舵機(jī)也是有利的。

將舵力試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，舵力的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)測(cè)量結(jié)果一致性較好，這說(shuō)明本文建立的計(jì)算方法能夠?qū)蠖娴亩媪M(jìn)行較好的計(jì)算。

3.2 回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)飄角影響分析

在拖曳水池中進(jìn)行的約束模試驗(yàn)時(shí)無(wú)法考慮飄角的影響，但結(jié)合作者在操縱水池中進(jìn)行的操縱性自航試驗(yàn)結(jié)果可以對(duì)飄角的影響進(jìn)行初步分析。操縱性試驗(yàn)結(jié)果表明，在各種舵角下，兩種舵的回轉(zhuǎn)半徑非常接近，相差很小。因此可以認(rèn)為在各舵角下，安裝扭曲舵與普通舵引起艦船飄角是基本相同的。由于兩種舵引起的飄角相當(dāng)，因此在各種舵角下普通舵左舵來(lái)流和扭曲舵左舵來(lái)流的方向基本一致，普通舵右舵來(lái)流和扭曲舵右舵來(lái)流的方向也基本一致，也就是，扭曲舵和普通舵對(duì)艦船的回轉(zhuǎn)性能的影響是基本相同的，引起的飄角也基本相同。

但由于螺旋槳尾流的旋轉(zhuǎn)分量的存在，且左右槳反向旋轉(zhuǎn)，所以螺旋槳在左右舵處引起的橫向速度剛好相反，使得左右舵來(lái)流方向不一致。

由于普通舵左右舵幾何攻角一致，在各展向位置，普通舵左舵和右舵的水動(dòng)力攻角不一致，左右舵的舵力不一致，一個(gè)較大，一個(gè)較小。如果采用扭曲舵，在各展向位置，左右槳引起的斜流角與扭曲舵的扭曲角基本是相同的。因此，考慮了飄角、螺旋槳旋轉(zhuǎn)尾流以及舵剖面扭曲角的影響后，在同樣的展向位置，扭曲舵左右舵的水動(dòng)力攻角基本相當(dāng)，即使有差別，也會(huì)比普通舵左右舵的要小得多，水動(dòng)力攻角介于普通舵左舵水動(dòng)力攻角和右舵水動(dòng)力攻角之間，所以扭曲舵左右舵上的舵力也更為接近，大小介于普通舵左舵舵力和右舵舵力之間，而扭曲舵左右兩舵舵力之和與普通舵左右兩舵舵力之和基本相同。所以考慮了飄角以后，在操相同舵角時(shí)，扭曲舵左右兩舵舵力大小仍然在普通舵左右舵舵力大小之間，舵的受力狀態(tài)得到改善。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文建立了槳后舵水動(dòng)力的數(shù)值計(jì)算方法，結(jié)果顯示，0°舵角時(shí)普通舵葉背壓力比葉面壓力明顯低，而扭曲舵葉背壓力分布基本上與葉面壓力分布重合，這種特點(diǎn)不僅使得扭曲舵的負(fù)壓力峰值明顯減小，而且會(huì)使艦船直航時(shí)舵上的橫向力和舵軸扭矩也會(huì)比普通舵小很多。

在拖曳水池中進(jìn)行了直航約束模舵力測(cè)量試驗(yàn)，對(duì)普通懸掛舵和扭曲舵的舵力進(jìn)行了測(cè)量，比較分析了扭曲舵和普通舵的舵力特性，試驗(yàn)也結(jié)果證明，在0°舵角時(shí)，扭曲舵上的橫向力和舵軸上的扭矩明顯減小，扭曲舵上的受力狀態(tài)得到明顯改善，對(duì)舵機(jī)是有利的。將舵力的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者有較好的一種性，這說(shuō)明建立的數(shù)值方法能夠?qū)Χ媪M(jìn)行較好的模擬計(jì)算。

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Study on numerical calculation and self-propulsion test of twisted rudder

WANGWei,YE Jin-ming
(Departmentof Naval Architecture,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

In order to study on the force characteristics,a CFD calculation method of the hydrodynamic of propeller and rudder is set up.The pressure distribution and the force of the twisted and ordinary rudders are compared with each other.It is indicated that the twisted rudder hasmuch lower cross force and torque than the ordinary rudder when the rudder angle is zero,which is favorable to rudder and steering engine.A self-propulsion testof twisted rudder is done in the towing tank.The three-component forces of twisted rudder and ordinary rudder aremeasured and compared with each other.The test results show that the cross force on the twisted rudder ismuch smaller than the ordinary rudder at 0°rudder angle.It is favorable for rudder force state.The calculation results of rudder force are compared with the test data,and they agree wellwith each other.The results show that the calculation method can predict the hydrodynamic performance of rudder behind propeller.

twisted rudder;propeller;three-component force;self-propulsion test

U661.3

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2017.01.006

2016-10-07

國(guó)家自然科學(xué)基金資助（51579243）

王 威（1963-），男，教授，E-mail：wv600@126.com；

葉金銘（1978-），男，副教授，通訊作者，E-mail：yjmcx2318@sohu.com。

1007-7294（2017）01-0045-07