導(dǎo)管剖面設(shè)計(jì)對(duì)導(dǎo)管螺旋槳水動(dòng)力特性的影響

吳家鳴，廖貫宇，賴宇鋒，竇義哲，陳東軍

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510640)

導(dǎo)管剖面設(shè)計(jì)對(duì)導(dǎo)管螺旋槳水動(dòng)力特性的影響

吳家鳴，廖貫宇，賴宇鋒，竇義哲，陳東軍

(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東廣州 510640)

運(yùn)用計(jì)算流體的方法對(duì)導(dǎo)管螺旋槳的葉梢漩渦、螺旋槳周圍流場(chǎng)和推力特性進(jìn)行計(jì)算，并且通過組合不同類型的導(dǎo)管對(duì)比分析了梢渦的改善方法和推力性能的優(yōu)化方案。計(jì)算結(jié)果表明：調(diào)整導(dǎo)管螺旋槳中的導(dǎo)管迎角，并延長(zhǎng)導(dǎo)管有助于改善導(dǎo)管螺旋槳梢渦的產(chǎn)生和改善槳轂后的尾流，有利于提高導(dǎo)管螺旋槳的穩(wěn)定性；增大導(dǎo)管迎角并延長(zhǎng)導(dǎo)管能夠使槳葉上荷載和推力分布更加均勻；在進(jìn)速系數(shù)J=0.4左右，導(dǎo)管螺旋槳性能更優(yōu)，也更高效。本文結(jié)論有助于設(shè)計(jì)出性能優(yōu)良的導(dǎo)管螺旋槳。

導(dǎo)管螺旋槳；計(jì)算流體力學(xué)；梢渦；導(dǎo)管；水動(dòng)力

0 引 言

導(dǎo)管螺旋槳是一種常用的操縱水下潛器主動(dòng)控制裝置，水面控制人員通常通過臍帶纜將控制信號(hào)發(fā)送到導(dǎo)管螺旋槳來實(shí)施對(duì)水下潛器的軌跡與姿態(tài)操縱[1-4]。準(zhǔn)確地模擬導(dǎo)管螺旋槳周圍的流場(chǎng)分布有助于提高對(duì)導(dǎo)管螺旋槳性能和流場(chǎng)分布特征的了解與認(rèn)識(shí)，從而為設(shè)計(jì)出水動(dòng)力性能優(yōu)良的導(dǎo)管螺旋槳提供理論指導(dǎo)[5]。

文獻(xiàn)[6]中描述到導(dǎo)管螺旋槳葉梢區(qū)域會(huì)產(chǎn)生漩渦，梢渦的產(chǎn)生會(huì)使得導(dǎo)管螺旋槳及其所屬水下潛器系統(tǒng)產(chǎn)生許多不利因素，如產(chǎn)生較大噪聲、增加了不穩(wěn)定性，干擾水下潛器的正常工作，不利于設(shè)計(jì)節(jié)能高效的水下潛器。另一方面，梢渦的產(chǎn)生破壞了槳葉上荷載的合理分布，導(dǎo)致槳葉容易在漩渦區(qū)發(fā)生剝蝕和變形現(xiàn)象，損傷槳葉結(jié)構(gòu)，降低螺旋槳的使用壽命。本文采用滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)導(dǎo)管螺旋槳的葉梢漩渦、螺旋槳周圍流場(chǎng)和推力特性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并且通過組合不同類型的導(dǎo)管對(duì)比分析了梢渦的改善方法和推力性能的優(yōu)化方案，從而設(shè)計(jì)出了梢渦和尾渦范圍較小、推進(jìn)效率更高、運(yùn)行更穩(wěn)定的導(dǎo)管螺旋槳。

1 控制方程、幾何模型

1.1 控制方程

本文分析中設(shè)定流體為不可壓縮流體，則導(dǎo)管螺旋槳周圍流場(chǎng)的控制方程為[7]：

1）連續(xù)性方程

2）動(dòng)量方程式中：xi，xj均為坐標(biāo)分量（i，j=1，2，3）；ui，uj均為速度分量時(shí)均值（i，j=1，2，3）；ρ為流體密度；t為時(shí)間；P為壓力時(shí)均值；gi為重力加速度分量；為雷諾應(yīng)力項(xiàng)；μ 為流體粘性系數(shù)。

1.2 幾何模型

本文采用的基礎(chǔ)模型是ka 4-70/19A導(dǎo)管螺旋槳（見圖1），該槳采用的是No.19A導(dǎo)管。本文旨在研究以ka 4-70螺旋槳裝配不同類型導(dǎo)管的組合結(jié)構(gòu)的匹配性和性能優(yōu)劣。圖2為不同導(dǎo)管剖面示意圖，其中，duct1為No.19A導(dǎo)管，duct2是duct1導(dǎo)管迎角增加5°，duct3是將duct2導(dǎo)管延長(zhǎng)0.5 L。表1和表2分別為螺旋槳和3種導(dǎo)管的主要參數(shù)。

表 1 螺旋槳主要參數(shù)Tab. 1 Primary parameters of the propeller

表 2 導(dǎo)管主要參數(shù)Tab. 2 Primary parameters of the ducts

2 數(shù)值模擬與計(jì)算結(jié)果分析

本節(jié)通過改變導(dǎo)管類型的設(shè)計(jì)旨在改善導(dǎo)管螺旋槳葉梢區(qū)域的漩渦，改進(jìn)螺旋槳周圍流場(chǎng)的分布，以及優(yōu)化導(dǎo)管螺旋槳的性能。將導(dǎo)管螺旋槳轉(zhuǎn)速設(shè)為20 r/s，通過改變進(jìn)速的方法計(jì)算不同進(jìn)速系數(shù)J的工況。

2.1 導(dǎo)管螺旋槳漩渦分布

圖3為J=0.2時(shí)，duct1，duct2，duct3導(dǎo)管螺旋槳在y=0切面的流線圖，從圖中可發(fā)現(xiàn)以下特點(diǎn)：

1）duct1，duct2，duct3導(dǎo)管螺旋槳葉面葉梢位置均存在高壓區(qū)，葉根和槳轂后均存在低壓區(qū)。

2）duct1導(dǎo)管螺旋槳由于水流經(jīng)過槳盤面后有收縮作用，使得葉梢離開葉面后一定距離的位置出現(xiàn)低壓，進(jìn)而導(dǎo)致導(dǎo)管外的流體沿著導(dǎo)管內(nèi)表面回流至該位置形成漩渦，另有部分流體翻越葉梢繼續(xù)回流至葉背處形成漩渦。

3）duct2導(dǎo)管螺旋槳增大導(dǎo)管迎角后避免了導(dǎo)管外流體的回流，消除了葉背處的漩渦，改善了葉面后葉梢區(qū)域的漩渦，使得渦核后移，降低了漩渦對(duì)螺旋槳的干擾；duct2導(dǎo)管螺旋槳相較于duct1導(dǎo)管螺旋槳，改善了梢渦的產(chǎn)生，但也使得槳轂后面出現(xiàn)了渦街現(xiàn)象。

4）duct3導(dǎo)管螺旋槳是在duct2導(dǎo)管螺旋槳的基礎(chǔ)上對(duì)導(dǎo)管進(jìn)行加長(zhǎng)處理，改進(jìn)后在延續(xù)duct2導(dǎo)管螺旋槳的優(yōu)點(diǎn)之后還進(jìn)一步消除了槳轂后的渦街現(xiàn)象；同時(shí)，從宏觀上觀察葉背葉面的荷載分布也比前二者更均勻。

圖4是No19A導(dǎo)管螺旋槳在不同進(jìn)速系數(shù)（J=0.2,0.4, 0.6）時(shí)流線圖，從圖中可看出：

1）導(dǎo)管螺旋槳在低進(jìn)速系數(shù)下葉梢區(qū)域會(huì)產(chǎn)生較大漩渦，隨著進(jìn)速系數(shù)的增大，漩渦逐漸消失，而進(jìn)速系數(shù)與螺旋槳的進(jìn)速和轉(zhuǎn)速有關(guān)，所以合理設(shè)計(jì)螺旋槳的前進(jìn)速度和轉(zhuǎn)速十分重要。

2）從微觀上分析，不同的進(jìn)速和轉(zhuǎn)速直接影響著來流與槳葉葉元體的攻角α，隨著J的增加，攻角α隨之減小，葉梢區(qū)域的漩渦也隨之減小，因此可認(rèn)為螺旋槳葉梢區(qū)域的漩渦與來流的攻角α呈正相關(guān)性。

3）不同進(jìn)速系數(shù)J，流體與導(dǎo)管切面的攻角也不同，進(jìn)而影響導(dǎo)管周圍的流場(chǎng)，影響導(dǎo)管外的流體回流。

2.2 螺旋槳周圍流場(chǎng)的分布

圖5是導(dǎo)管螺旋槳中縱剖面（z=0）坐標(biāo)示意圖，坐標(biāo)原點(diǎn)位于槳轂中心。槳葉相對(duì)半徑Rr的定義為：

圖6～圖7為不同導(dǎo)管螺旋槳在J=0.2時(shí)，x/L=0.5切面處的軸向速度和徑向速度沿槳葉半徑方向的分布。軸向速度以從導(dǎo)管進(jìn)口指向?qū)Ч艹隹冢▁軸正方向）為正，徑向速度以從軸心向外指向?yàn)檎?。從圖6和圖7可以觀察到：

1）當(dāng)Rr＜0.2時(shí)，duct1和duct2導(dǎo)管螺旋槳的軸向速度明顯低于duct3導(dǎo)管螺旋槳的軸向速度，這說明槳后尾流受槳轂的影響程度為duct2最大，duct1次之，duct3最?。划?dāng)0.2≤Rr≤0.8時(shí)，3種導(dǎo)管螺旋槳軸向速度沿徑向的分布較為均勻，三者的軸向速度也相差不大；各導(dǎo)管螺旋槳槳葉大相對(duì)半徑（0.8＜Rr）處，軸向速度迅速減小，這是因?yàn)榻?jīng)過盤面后從導(dǎo)管流出的尾流有一種明顯沿徑向向軸心收縮的傾向；另外，duct1導(dǎo)管螺旋槳葉尖（Rr=1）處軸向速度為負(fù)值，因?yàn)樵撎庝鰷u形成了低壓區(qū)，導(dǎo)致導(dǎo)管外的流體沿著導(dǎo)管內(nèi)壁回流。

2）duct3導(dǎo)管螺旋槳徑向速度沿槳葉半徑方向的分布相較于duct1和duct2導(dǎo)管螺旋槳更平穩(wěn)，波動(dòng)更小，這表明duct3導(dǎo)管螺旋槳工作時(shí)更加的穩(wěn)定，有助于提升其所屬水下潛器的穩(wěn)定性和可控性。

2.3 導(dǎo)管螺旋槳推力性能對(duì)比

螺旋槳槳葉產(chǎn)生推力的機(jī)理是葉面、葉背之間存在壓力差，壓力差的大小直接反映了推力的大小。同時(shí)，葉面、葉背壓力的分布也直觀地反映了荷載的分布情況，槳葉上荷載較為均勻的分布有利于增加槳葉的使用壽命和提高螺旋槳的穩(wěn)定性。

式（4）為壓力系數(shù)CP的計(jì)算公式，式（5）為推力T的無(wú)因次化，式（6）為導(dǎo)管螺旋槳產(chǎn)生的推力總和[8]：

式中：Pb為葉切面計(jì)算點(diǎn)處的壓力；P0為大氣壓力；ρ為水的密度；VA為導(dǎo)管進(jìn)口處的平均進(jìn)速；Trot，Tduct分別為槳葉推力和導(dǎo)管推力；Arot為槳盤面面積。

圖8為J=0.2時(shí)，不同導(dǎo)管螺旋槳葉背和葉面壓力系數(shù)沿槳葉徑向的分布，從圖中有以下觀察和結(jié)論：

1）duct1，duct2和duct3三種導(dǎo)管螺旋槳壓力沿槳葉徑向分布的規(guī)律大致相似，葉根區(qū)域壓力最小，葉面壓力隨著相對(duì)半徑Rr的增大而增長(zhǎng)，并在葉梢部分達(dá)到峰值；葉背正好相反，在葉根處壓力最大，隨著相對(duì)半徑Rr的增大，壓力減小，在葉梢部分降到最低。

2）duct3導(dǎo)管螺旋槳葉面壓力分布較前兩者更為均勻；duct1導(dǎo)管螺旋槳葉背壓力沿槳葉半徑方向波動(dòng)較大，而duct2和duct3分布特點(diǎn)十分相似，且沿槳葉半徑方向變化不大，說明后兩者葉背荷載分布較為均勻。

3）duct1導(dǎo)管螺旋槳葉面壓力在葉梢區(qū)域迅速增長(zhǎng)，這是因?yàn)樵搮^(qū)域產(chǎn)生了漩渦，并且葉面處在渦核外圍高壓區(qū)域。

從圖8的結(jié)論中可知葉梢貢獻(xiàn)了螺旋槳推力的絕大部分，表3和圖9分別為不同導(dǎo)管螺旋槳葉梢推力份額和單個(gè)槳葉推力沿槳葉半徑方向的分布，綜合表3和圖9可以觀察到以下特點(diǎn)：

表 3 不同導(dǎo)管螺旋槳葉梢推力份額Tab. 3 Proportion of the blade tips in different ducted propellers

1）duct1導(dǎo)管螺旋槳槳葉所發(fā)出的推力最大，duct3導(dǎo)管螺旋槳次之，duct2導(dǎo)管螺旋槳槳葉發(fā)出的推力最小。

2）螺旋槳所發(fā)出的推力主要分布在葉梢部分，越接近葉根，推力分量所占的份額越少；而在相對(duì)半徑Rr=1時(shí)，單位長(zhǎng)度上推力達(dá)到最大值。

3）3種導(dǎo)管螺旋槳葉梢（0.8≤Rr≤1）部分產(chǎn)生的推力占槳葉所產(chǎn)生的總推力的絕大部分，其中duct2導(dǎo)管螺旋槳所占的份額最大，duct1導(dǎo)管螺旋槳次之，duct3導(dǎo)管螺旋槳最?。籨uct3導(dǎo)管螺旋槳推力沿槳葉半徑方向的變化梯度小于duct1和duct2，使槳葉受力更均勻，提高了螺旋槳的穩(wěn)定性。

圖10～圖11分別為不同進(jìn)速系數(shù)J時(shí)，無(wú)因次推力系數(shù)CT和效率η的計(jì)算數(shù)據(jù)，如表4所示。結(jié)合圖10、圖11和表4不難得到以下結(jié)論：

表 4 不同J下導(dǎo)管螺旋槳計(jì)算數(shù)據(jù)Tab. 4 Datas of the ducted propellers under different J

1）由于低進(jìn)速系數(shù)J接近0時(shí)，進(jìn)速VA接近于0，此時(shí)CT趨于無(wú)窮大，所以只計(jì)入J ≥0.2時(shí)的情況；3種導(dǎo)管螺旋槳的無(wú)因次推力系數(shù)CT具有相同的變化趨勢(shì)，即隨著進(jìn)速系數(shù)J的增大而減小，該特征在J≤0.4時(shí)顯著；duct1和duct3導(dǎo)管螺旋槳的CT比較接近，duct2導(dǎo)管螺旋槳的CT比前二者略小。

2）在較低的J時(shí)，3種導(dǎo)管螺旋槳的效率η隨著J的增大而增大，達(dá)到峰值點(diǎn)后，η隨著J的增大而減小，并且三者進(jìn)速系數(shù)J的臨界值大小關(guān)系是duct2＜duct3＜duct1；進(jìn)速系數(shù)J達(dá)到臨界值前，三者的效率關(guān)系是duct3＞duct2＞duct1，但臨界值后，三者的效率關(guān)系變?yōu)?duct1＞duct3＞duct2。

3）綜合對(duì)比duct1，duct2和duct3三種導(dǎo)管螺旋槳的無(wú)因次推力系數(shù)CT和效率η后，當(dāng)J≤0.4時(shí)，可選擇推力大，效率高的duct3導(dǎo)管螺旋槳，而當(dāng)J ＞0.4時(shí)，可考慮采用更高效的duct1導(dǎo)管螺旋槳。

4）duct2導(dǎo)管螺旋槳在J≥0.6時(shí)，以及duct3 J≥0.8時(shí)產(chǎn)生的推力總和為負(fù)值，可從表5中觀察到此時(shí)槳葉或?qū)Ч墚a(chǎn)生的推力是負(fù)值導(dǎo)致二者的合推力是負(fù)方向的。造成該現(xiàn)象的原因是此時(shí)流體以某一個(gè)負(fù)的幾何攻角和葉元體或?qū)Ч芮忻嫦嘤?，?dǎo)致作用于葉元體或?qū)Ч芮忻嫔系纳妥枇υ诼菪龢S向上的合力方向與螺旋槳的前進(jìn)方向相反，即產(chǎn)生負(fù)推力。避免該現(xiàn)象的做法是減小進(jìn)速系數(shù)J，可采用增大轉(zhuǎn)速的方法予以消除。

表 5 槳葉和導(dǎo)管的推力計(jì)算結(jié)果Tab. 5 Thrusts from the ducts and propellers

表5為槳葉和導(dǎo)管在不同進(jìn)速系數(shù)J時(shí)所發(fā)出的推力的計(jì)算結(jié)果，其中導(dǎo)管推力份額的計(jì)算公式如下：

式中：Trot和Tduct分別為導(dǎo)管產(chǎn)生的推力和槳葉所產(chǎn)生的推力。

圖12為導(dǎo)管推力所占份額ζ隨進(jìn)速系數(shù)J的變化曲線，可觀察到：1）導(dǎo)管推力份額ζ隨進(jìn)速系數(shù)J的變化趨勢(shì)基本是先減小后增大，其中duct1導(dǎo)管螺旋槳比duct2和duct3導(dǎo)管螺旋槳的變化相對(duì)更平緩；2）duct1，duct2，duct3三者的ζ在J=0.4時(shí)比較接近，且duct2和duct3處于最低點(diǎn)；3）導(dǎo)管螺旋槳中導(dǎo)管主要作用是起整流并提供較小份額的附加推力，考慮到導(dǎo)管結(jié)構(gòu)作用和材料強(qiáng)度小的屬性，應(yīng)盡量避免導(dǎo)管所產(chǎn)生的推力占螺旋槳總推力較大份額，所以導(dǎo)管螺旋槳應(yīng)設(shè)計(jì)在J=0.4附近正常工作較為合理。

3 結(jié) 語(yǔ)

1）調(diào)整導(dǎo)管螺旋槳中的導(dǎo)管迎角，并延長(zhǎng)導(dǎo)管有助于改善導(dǎo)管螺旋槳葉梢漩渦的產(chǎn)生和改善槳轂后的尾流，有利于提高導(dǎo)管螺旋槳的穩(wěn)定性，提高推進(jìn)效率；增大導(dǎo)管迎角并延長(zhǎng)導(dǎo)管能夠使得槳葉上荷載和推力分布更加均勻。

2）因?yàn)樗聺撈骱剿佥^低，進(jìn)速系數(shù)J也處在相對(duì)較小的范圍，綜合考慮葉梢漩渦范圍，槳后尾流特點(diǎn)，以及推力大小和效率，應(yīng)當(dāng)選擇duct3導(dǎo)管螺旋槳更合適。

3）導(dǎo)管螺旋槳中導(dǎo)管主要作用是起整流并提供較小份額的附加推力，考慮到導(dǎo)管結(jié)構(gòu)作用和材料強(qiáng)度小的屬性，應(yīng)盡量避免導(dǎo)管所產(chǎn)生的推力占螺旋槳總推力較大份額，所以導(dǎo)管螺旋槳應(yīng)設(shè)計(jì)在J=0.4附近正常工作較為合理。

4）導(dǎo)管在低進(jìn)速系數(shù)時(shí)能夠產(chǎn)生正的附加推力，但在高進(jìn)速系數(shù)時(shí)產(chǎn)生負(fù)的推力，即變成附加阻力。

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The influence of duct profile design on hydrodynamic characteristics of ducted propeller

WU Jia-ming, LIAO Guan-yu, LAI Yu-feng, DOU Yi-zhe, CHEN Dong-jun
(College of Civil and Transportation Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Tip vortex of a ducted propeller, the flow fluid around and thrust characteristics of the propeller are observed numerically with computational fluid dynamic (CFD) method. The optimization method of tip vortex and thrust performance are compared and analyzed by combining different types of ducts. Results of numerical simulation indicate that it is helpful to improve the generation incidence of the tip vortex and to improve the wake after the hub by adjusting the angle of attack of the duct in the propeller and extending the duct, is helpful to improve the stability of ducted propeller; increasing the angle of attack of the duct and extending the duct can make the blade load and thrust distribution more uniform; the coefficient of advanced velocity about J=0.4, the ducted propeller will has better performance, higher efficiency.The results of the paper help to design a better ducted propeller.

ducted propeller；CFD；tip vortex；duct；hydrodynamic

TV131.2

A

1672-7649(2017)11-0038-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.008

2017-01-10；

2017-08-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11372112)

吳家鳴(1957-)，男，教授，主要從事船舶與海洋工程水動(dòng)力學(xué)研究。