水下螺旋槳技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與展望

王曉強(qiáng) 龔正琦

摘 要：本文圍繞水下螺旋槳技術(shù)，對(duì)目前國(guó)內(nèi)外在相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展進(jìn)行了總結(jié)。主要關(guān)注于水下螺旋槳設(shè)計(jì)技術(shù)，螺旋槳計(jì)算流體力學(xué)（CFD）技術(shù)以及水下螺旋槳優(yōu)化技術(shù)三個(gè)方面的研究現(xiàn)狀，分析了各相關(guān)技術(shù)的研究特點(diǎn)，并展望了水下螺旋槳相關(guān)技術(shù)研究趨勢(shì)，為進(jìn)一步研究水下螺旋槳技術(shù)提供了參考。

關(guān)鍵詞：水下螺旋槳;螺旋槳設(shè)計(jì);計(jì)算流體力學(xué);優(yōu)化技術(shù)

中圖分類號(hào)：U661.3? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2021）04-0074-03

螺旋槳推進(jìn)是水下推進(jìn)的主要形式。近年來，隨著水下推進(jìn)動(dòng)力裝置的大型化、自動(dòng)化、復(fù)雜化程度的提高，對(duì)水下螺旋槳技術(shù)提出了更高的要求。

水下螺旋槳技術(shù)包括水下螺旋槳設(shè)計(jì)技術(shù)、水下螺旋槳計(jì)算流體力學(xué)（CFD）性能預(yù)報(bào)技術(shù)、水下螺旋槳優(yōu)化技術(shù)等方面。本文對(duì)目前水下螺旋槳技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了分析與評(píng)述，并展望了水下螺旋槳相關(guān)研究發(fā)展趨勢(shì)。

1 水下螺旋槳設(shè)計(jì)技術(shù)

升力線理論[1]是早期螺旋槳設(shè)計(jì)理論研究的重點(diǎn)，極大地推動(dòng)了螺旋槳理論設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。后續(xù)諸多學(xué)者主要從設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)對(duì)象提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)理論。在設(shè)計(jì)方法方面，針對(duì)重載螺旋槳以及非設(shè)計(jì)工況下[2]基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論的缺陷，對(duì)螺旋槳升力線理論進(jìn)行改進(jìn)。考慮到實(shí)際工作中槳轂的影響，在設(shè)計(jì)過程中使用鏡像渦法[3]讓槳轂表面滿足運(yùn)動(dòng)學(xué)邊界條件，以取得更普遍的適用性。此外，針對(duì)具有側(cè)斜、縱傾的螺旋槳完善了與之相適應(yīng)的升力線設(shè)計(jì)方法。近年來，學(xué)者將螺旋槳升力線理論與面元法、雷諾時(shí)均（RANS）[4]等結(jié)合，用于提高螺旋槳性能預(yù)報(bào)精度和效率。還有將其與現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)理論[5]相結(jié)合，在設(shè)計(jì)階段考慮螺旋槳的性能優(yōu)化，提高了螺旋槳的設(shè)計(jì)效率，對(duì)復(fù)雜性能目標(biāo)的設(shè)計(jì)有指導(dǎo)意義。在設(shè)計(jì)對(duì)象方面，隨著計(jì)算速度的提高，升力線理論可以應(yīng)用到復(fù)雜推進(jìn)器的性能預(yù)估和設(shè)計(jì)。通過誘導(dǎo)速度考慮對(duì)轉(zhuǎn)槳的相互影響[6]、鏡像渦方式計(jì)入槳轂和導(dǎo)管[7]等對(duì)環(huán)量分布的影響，結(jié)合升力線理論與特定的應(yīng)用對(duì)象，提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法和預(yù)報(bào)方法。

近年來，升力面方法被多個(gè)學(xué)者應(yīng)用在處理螺旋槳的正向預(yù)報(bào)問題上，目前研究?jī)?nèi)容包括螺旋槳過渡區(qū)尾渦發(fā)生收縮和卷曲、考慮縱傾和側(cè)斜適用的梢渦分離模型[8]等，主要針對(duì)如何建立螺旋槳尾渦、梢渦以及導(dǎo)邊分離渦模型提出了相應(yīng)的改進(jìn)方法。此外，針對(duì)螺旋槳與其他組件相互作用時(shí)，通過引入槳轂的影響和耦合面元法[9]考慮其他組件影響，提高性能預(yù)報(bào)精度。而關(guān)于升力面設(shè)計(jì)方法逆問題，由于葉剖面形狀與其負(fù)荷形式、效率、空泡等水動(dòng)力性能密切相關(guān)，研究?jī)?nèi)容主要有渦格法精確并快速設(shè)計(jì)滿足給定升力分布的拱線，滿足任意環(huán)量分布下槳葉拱弧面設(shè)計(jì)，以及螺旋槳升力面理論邊值問題三維精細(xì)化處理[10]等。此外，考慮船體及其附體、導(dǎo)管與螺旋槳的相互作用時(shí)，將升力面與RANS等其他理論耦合[11]進(jìn)行設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)階段比較精準(zhǔn)考慮其他組件的影響，進(jìn)一步提高設(shè)計(jì)精度和效率。

目前升力線模型已經(jīng)比較成熟，可以解決涉及螺旋槳推力、轉(zhuǎn)矩、效率以及槳后誘導(dǎo)速度場(chǎng)的計(jì)算等方面的問題，并且所需的計(jì)算時(shí)間也較為快速，但有一定的局限性。而升力面方法比升力線方法不論是在正向預(yù)報(bào)問題還是逆向設(shè)計(jì)問題，能充分考慮槳葉弦長(zhǎng)、拱度、螺距的分布情況，具有很大的優(yōu)勢(shì)。針對(duì)螺旋槳設(shè)計(jì)問題，過去大多數(shù)研究集中在尾渦變形、槳轂影響以及剖面負(fù)載分布的相關(guān)升力面設(shè)計(jì)等問題，而在設(shè)計(jì)過程中，將升力線、升力面設(shè)計(jì)方法與面元法或者RANS等方法耦合，考慮各組件的相互影響，對(duì)導(dǎo)管螺旋槳、泵噴推進(jìn)器等一些特種推進(jìn)器的精細(xì)化設(shè)計(jì)顯得尤為重要，這一部分值得進(jìn)一步研究。

2 水下螺旋槳CFD性能預(yù)報(bào)技術(shù)

在評(píng)估螺旋槳推進(jìn)性能時(shí)，考慮粘性效應(yīng)的CFD方法可以在精確模擬螺旋槳尾流場(chǎng)復(fù)雜流動(dòng)與槳葉稍渦結(jié)構(gòu)的同時(shí)，通過邊界層網(wǎng)格準(zhǔn)確模擬近壁面流動(dòng)，充分考慮的湍流流動(dòng)對(duì)螺旋槳推進(jìn)性能的影響。伴隨著高性能計(jì)算機(jī)的發(fā)展，粘性流CFD方法強(qiáng)有力地支撐了螺旋槳流體動(dòng)力性能的預(yù)測(cè)，目前看來已經(jīng)是螺旋槳流場(chǎng)數(shù)值模擬最主流的方法。

在螺旋槳CFD前處理方面，CFD網(wǎng)格離散方式已經(jīng)比較成熟，主要研究工作在于針對(duì)不同網(wǎng)格類型以及相應(yīng)的網(wǎng)格布置方式的對(duì)比，針對(duì)具體計(jì)算情況的網(wǎng)格自動(dòng)程序化生成[12]，以及不同網(wǎng)格離散方式的結(jié)合使用等方面[13]。

在螺旋槳CFD計(jì)算方法方面，關(guān)注點(diǎn)在于評(píng)價(jià)不同湍流模型[14]在螺旋槳水動(dòng)力性能計(jì)算中的適用性。目前看來，不同湍流模型在測(cè)螺旋槳水動(dòng)力性能時(shí)有一定差異，這些工作也對(duì)合理選擇適用于具體研究?jī)?nèi)容的湍流模型給出了可靠的參考。針對(duì)螺旋槳這種旋轉(zhuǎn)機(jī)械流場(chǎng)問題，多參考系模型、滑移網(wǎng)格、重疊網(wǎng)格、動(dòng)網(wǎng)格、周期性邊界等數(shù)值方法也都有對(duì)應(yīng)適合的應(yīng)用場(chǎng)景[15]。

在螺旋槳CFD計(jì)算內(nèi)容方面，目前研究工作主要集中在針對(duì)螺旋槳敞水性能、非定常力數(shù)值預(yù)報(bào)、流固耦合、非均勻流場(chǎng)中性能表現(xiàn)以及螺旋槳空泡等領(lǐng)域。其中關(guān)于敞水性能，研究?jī)?nèi)容包括側(cè)斜縱傾等螺旋槳參數(shù)以及葉頂間隙等導(dǎo)管螺旋槳幾何參數(shù)等對(duì)敞水性能的影響分析[16]。對(duì)于螺旋槳非定常力計(jì)算中不同湍流模型的適用情況，國(guó)內(nèi)外均開展了較為廣泛的研究，主要研究不同湍流模型計(jì)算精度的對(duì)比[17]，從研究結(jié)果來看，DES方法與LES方法在處理非定常問題時(shí)使用最為廣泛。關(guān)于計(jì)算設(shè)置對(duì)非定常計(jì)算的影響與新型推進(jìn)器的非定常性能計(jì)算[18]等也有相關(guān)研究。在流固耦合計(jì)算領(lǐng)域，CFD方法通常與結(jié)構(gòu)有限元法結(jié)合使用，主要針對(duì)復(fù)合材料螺旋槳等變形較大的情況，研究?jī)?nèi)容包括非定常波動(dòng)量與結(jié)構(gòu)響應(yīng)之間的關(guān)系[19]，以及復(fù)合材料螺旋槳結(jié)構(gòu)與外形參數(shù)[20]對(duì)于推進(jìn)性能的影響分析等。CFD方法在預(yù)測(cè)非均勻流中螺旋槳性能方面也有諸多應(yīng)用，主要集中在非均勻流場(chǎng)下的軸承力幅值與進(jìn)流階調(diào)的耦合效應(yīng)[21]，斜流入射下的螺旋槳非定常流體動(dòng)力載荷[22]，新型推進(jìn)器在斜流工況下的性能表現(xiàn)[23]等。CFD方法在研究空泡條件下螺旋槳主軸受力的非定常特性[24]等方面也表現(xiàn)出良好的效果。

目前粘性流CFD方法在水下螺旋槳的流場(chǎng)數(shù)值模擬方面已得到廣泛應(yīng)用，可準(zhǔn)確模擬螺旋槳尾流場(chǎng)復(fù)雜流動(dòng)、槳葉梢渦結(jié)構(gòu)以及近壁面流動(dòng)，但計(jì)算時(shí)間相較于勢(shì)流方法也有相應(yīng)增加。不同CFD網(wǎng)格離散方式、湍流模型以及數(shù)值方法在預(yù)測(cè)螺旋槳水動(dòng)力性能時(shí)存在差異，需根據(jù)具體研究?jī)?nèi)容進(jìn)行取舍。目前看來，粘性流CFD方法在螺旋槳敞水性能、非定常力數(shù)值預(yù)報(bào)、流固耦合、非均勻流場(chǎng)中性能表現(xiàn)以及螺旋槳空泡方面均得到了很好地應(yīng)用。

3 水下螺旋槳優(yōu)化技術(shù)

近年來，在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上，諸多學(xué)者利用現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)理論與先進(jìn)智能算法等手段，對(duì)螺旋槳性能展開優(yōu)化設(shè)計(jì)。

以設(shè)計(jì)目標(biāo)分類，可以分為單目標(biāo)和多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。各國(guó)學(xué)者關(guān)注比較多的設(shè)計(jì)目標(biāo)有，螺旋槳推進(jìn)效率、空泡性能[25]、葉片強(qiáng)度以及噪聲性能[26]等。由于這些目標(biāo)存在參數(shù)耦合等問題，因此單目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果往往是單個(gè)目標(biāo)最優(yōu)，其余目標(biāo)較優(yōu)或更差，因此螺旋槳單目標(biāo)優(yōu)化目前多用于對(duì)單項(xiàng)性能指標(biāo)要求較高、其余指標(biāo)不做要求的場(chǎng)合。多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的引入，是針對(duì)多項(xiàng)性能指標(biāo)要求均較高的場(chǎng)合，通常關(guān)注比較多的多目標(biāo)有推進(jìn)效率-空泡性能的雙目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)，多個(gè)工況點(diǎn)的性能優(yōu)化[27]等。為了簡(jiǎn)化優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，將多個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)通過系數(shù)加權(quán)轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化是目前應(yīng)用較多的一個(gè)方法[28]。

以優(yōu)化算法和優(yōu)化策略分類，可以分為直接優(yōu)化技術(shù)以及基于近似模型的優(yōu)化技術(shù)。在智能優(yōu)化方法發(fā)展初期，學(xué)者們常采用單目標(biāo)或者多目標(biāo)遺傳算法（GA，NSGA-II）、單目標(biāo)或者多目標(biāo)粒子群算法[29]（PSO，MOPSO）、模擬退火算法或者其余進(jìn)化算法等。為了解決直接優(yōu)化方法帶來的高昂計(jì)算需求，近年來，基于近似模型的優(yōu)化方法受到越來越多學(xué)者的青睞，響應(yīng)面法、Kriging代理模型方法、徑向基函數(shù)代理模型方法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法[30]等?；诮颇Ｐ偷膬?yōu)化方法具有效率高、資源需求少、可擴(kuò)展性好等特點(diǎn)，將是未來螺旋槳優(yōu)化的一大發(fā)展趨勢(shì)。

在螺旋槳的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中，諸多學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法（DOE）[31]、Sobol 靈敏度分析法以及回歸分析法等分析了螺旋槳設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)目標(biāo)的敏感性。研究表明，葉片最大弦長(zhǎng)是空泡性能的主要影響因素，0.7～0.9無量綱半徑處對(duì)螺旋槳低頻寬帶噪聲影響較大。此外，葉片越薄對(duì)推進(jìn)器效率改善作用越明顯，然而葉片過薄對(duì)槳葉的強(qiáng)度等力學(xué)性能有不利的影響。螺旋槳各參數(shù)對(duì)性能的影響以及各參數(shù)之間的制約關(guān)系在優(yōu)化設(shè)計(jì)過程中更容易體現(xiàn)，將現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)理論應(yīng)用到螺旋槳設(shè)計(jì)優(yōu)化中是十分重要的。

4 總結(jié)與展望

根據(jù)國(guó)內(nèi)外水下螺旋槳的研究進(jìn)展，傳統(tǒng)的升力線與升力面設(shè)計(jì)方法已經(jīng)相當(dāng)成熟，主要針對(duì)設(shè)計(jì)過程中槳轂影響，尾渦結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用于特種推進(jìn)器等方面展開研究，如何將升力線、升力面設(shè)計(jì)方法與面元法、RANS等方法耦合，考慮各組件的相互影響，對(duì)導(dǎo)管螺旋槳、泵噴推進(jìn)器等特種推進(jìn)器進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)方面的研究重點(diǎn)。數(shù)值計(jì)算的研究工作大多是關(guān)于螺旋槳尾流場(chǎng)復(fù)雜流動(dòng)、槳葉梢渦結(jié)構(gòu)、近壁面流動(dòng)等方面的研究。在螺旋槳非定常壓力脈動(dòng)、流固耦合計(jì)算等方面還有待進(jìn)一步研究，這些流場(chǎng)流動(dòng)細(xì)節(jié)的分析和計(jì)算對(duì)螺旋槳振動(dòng)和噪聲等問題的研究有著重要的作用。在螺旋槳優(yōu)化方面，關(guān)于優(yōu)化方法在螺旋槳設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，組合推進(jìn)器的一體化優(yōu)化以及針對(duì)推進(jìn)性能、空泡性能、噪聲性能等多學(xué)科問題的多學(xué)科優(yōu)化將是水下螺旋槳優(yōu)化的研究重點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)：

[1] Goldstein S. On the vortex theory of screw propellers[J]. Proceedings of the Royal Society of London. Series A， Containing Papers of a Mathematical and Physical Character， 1929， 123（792）： 440-465.

[2] Flood K M. Propeller performance analysis using lifting line theory[R]. MASSACHUSETTS INST OF TECH CAMBRIDGE， 2009.

[3] 蘇玉民， 黃勝. 船舶螺旋槳葉片環(huán)量的數(shù)值優(yōu)化[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2002（01）： 4-7.

[4] 楊瓊方， 王永生， 黃斌， 等. 融合升力線理論和雷諾時(shí)均模擬在螺旋槳設(shè)計(jì)和水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)中的應(yīng)用[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)， 2011（4）： 53-60.

[5] 蔡昊鵬， 馬騁， 錢正芳， 等. 一種求解船用螺旋槳最佳徑向環(huán)量分布的方法[J]. 船舶力學(xué)， 2013， 000（11）： 1244-1252.

[6] 董世湯， 陳立強(qiáng). 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳環(huán)流理論計(jì)算方法[J]. 艦船性能研究， 1976， 2： 1-74.

[7] Mishkevich V G. A new approach to lifting line theory： Hub and duct effects[J]. Journal of ship research， 2006， 50（2）： 138-146.

[8] Greeley D S， Kerwin J E. Numerical methods for propeller design and analysis in steady flow[J]. Transactions-Society of Naval Architects and Marine Engineers， 1982， 90： 415-453.

[9] Ghassemi H， Ghadimi P. Computational hydrodynamic analysis of the propeller–rudder and the AZIPOD systems[J]. Ocean Engineering， 2008， 35（1）： 117-130.

[10] 董世湯. 螺旋槳升力面理論邊值問題的精細(xì)化處理[J]. 船舶力學(xué)， 2004（2）： 1-15.

[11] 辛公正， 洪方文， 黃振宇， 等. 與粘流耦合的導(dǎo)管螺旋槳升力面設(shè)計(jì)方法[J]. 船舶力學(xué)， 2007（1）： 24-33.

[12] 楊瓊方， 郭薇， 王永生， 等. 螺旋槳水動(dòng)力性能CFD預(yù)報(bào)中預(yù)處理的程式化實(shí)現(xiàn)[J]. 船舶力學(xué)， 2012， 16（04）： 375-382.

[13] 劉志華， 熊鷹， 葉金銘， 等. 基于多塊混合網(wǎng)格的RANS方法預(yù)報(bào)螺旋槳敞水性能的研究[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯， 2007（04）： 450-456.

[14] 黃勝， 張立新， 王超， 等. 螺旋槳水動(dòng)力性能的大渦模擬計(jì)算方案分析[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào) （交通科學(xué)與工程版）， 2014， 38（3）： 473-477.

[15] 繆宇躍， 孫江龍. CFD 敞水螺旋槳性能計(jì)算分析[J]. 中國(guó)艦船研究， 2011， 6（5）： 63-68.

[16] Yongle D， Baowei S， Peng W. Numerical investigation of tip clearance effects on the performance of ducted propeller[J]. International journal of naval architecture and ocean engineering， 2015， 7（5）： 795-804.

[17] Ji B， Luo X， Wu Y， 等. Partially-Averaged Navier–Stokes method with modified k–ε model for cavitating flow around a marine propeller in a non-uniform wake[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer， 2012， 55（23-24）： 6582-6588.

[18] Xia H， Wang P， Han P， 等. Numerical Prediction on Non-cavitating Noise of a New Type of Ducted Propeller[C]. OCEANS 2018 MTS/IEEE Charleston， 2018： 1-10.

[19] 丁永樂， 宋保維， 王鵬. 柔性螺旋槳非定常流場(chǎng)及結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)值計(jì)算[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2019， 40（3）： 456-461.

[20] An X， Wang P， Song B， 等. Bi-directional fluid-structure interaction for prediction of tip clearance influence on a composite ducted propeller[J]. Ocean Engineering， 2020， 208： 107390.

[21] 胡小菲， 黃振宇， 洪方文. 螺旋槳非定常力的黏性數(shù)值分析[J]. 水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯， 2009， 24（06）： 734-739.

[22] Yao J. Investigation on hydrodynamic performance of a marine propeller in oblique flow by RANS computations[J]. International Journal of Naval Architecture and Ocean Engineering， 2015， 7（1）： 56-69.

[23] Xia H， Wang P， An X， 等. Hydrodynamic Performance of a New Type of Ducted Propeller Operating in Oblique Flow[C]. Sixth International Symposium on Marine Propulsors 2019.

[24] Ji B， Luo X， Wang X， 等. Unsteady numerical simulation of cavitating turbulent flow around a highly skewed model marine propeller[J]. Journal of Fluids Engineering， 2011， 133（1）.

[25] 趙威， 楊晨俊. 船舶螺旋槳螺距及拱度的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 中國(guó)造船， 2010， 51（01）： 1-8.

[26] 蔡昊鵬， 馬騁， 陳科， 等. 確定螺旋槳側(cè)斜分布的一種數(shù)值優(yōu)化方法[J]. 船舶力學(xué)， 2014， 18（07）： 771-777.

[27] 常欣， 孫帥， 王超， 等. 考慮非設(shè)計(jì)工況的螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)方法[J]. 哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)， 2015， 36（12）： 1544-1548.

[28] 王波， 張以良， 熊鷹. 船用螺旋槳水動(dòng)力性能優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版）， 2015， 39（04）： 773-777.

[29] 葉禮裕， 王超， 黃勝， 等. 基于多目標(biāo)粒子群算法的螺旋槳多參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版）， 2015， 39（06）： 1169-1174.

[30] 曾志波， 丁恩寶， 唐登海. 基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法的船舶螺旋槳優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 船舶力學(xué)， 2010， 14（Z1）： 20-27.

[31] 王超， 葉禮裕， 魏勝任， 等. DOE方法在螺旋槳幾何參數(shù)優(yōu)選中的應(yīng)用[J]. 中國(guó)造船， 2015， 56（04）： 109-118.