射流擾動(dòng)下艦船多葉片螺旋槳角度的實(shí)時(shí)調(diào)整

邊 莉，車(chē)向前，劉孟杰

(1. 廣東海洋大學(xué) 船舶與海運(yùn)學(xué)院, 廣東 湛江 524088；2. 廣東海洋大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)學(xué)院, 廣東 湛江 524088)

0 引 言

螺旋槳是艦船的主要組成部分[1]，在艦船航行過(guò)程中，為艦船的航行提供動(dòng)力。螺旋槳通常為多葉片，數(shù)量一般為3 片或5 片。艦船多葉片螺旋槳的角度對(duì)于其性能產(chǎn)生直接影響，但艦船航行過(guò)程中，受外界環(huán)境因素影響，艦船的多葉片螺旋槳角度會(huì)產(chǎn)生變化[2]，為保障艦船多葉片螺旋槳的應(yīng)用性能，確保艦船正常航行，需研究一種有效的艦船多葉片螺旋槳角度調(diào)整方法。

陳雷雷等[3]在研究艦船螺旋槳角度設(shè)計(jì)問(wèn)題過(guò)程中，基于艦船螺旋槳射流原理與葉片邊緣點(diǎn)坐標(biāo)構(gòu)建螺旋槳三維模型，通過(guò)數(shù)值模擬方法完成艦船螺旋槳角度控制。馬艷等[4]在研究艦船螺旋槳角度調(diào)整問(wèn)題過(guò)程中，基于螺旋槳材料與水動(dòng)力性能，結(jié)合CFD與有限元相結(jié)合的單項(xiàng)流固耦合法實(shí)現(xiàn)艦船螺旋槳角度控制。上述方法在研究過(guò)程中均未考慮艦船航行過(guò)程中所產(chǎn)生的射流擾動(dòng)問(wèn)題，因此調(diào)度調(diào)整結(jié)果存在一定偏差，對(duì)于螺旋槳應(yīng)用性能的提升效果受到影響。針對(duì)上述文獻(xiàn)中存在的問(wèn)題，研究射流擾動(dòng)下艦船多葉片螺旋槳角度的實(shí)時(shí)調(diào)整方法，希望通過(guò)該方法的研究為未來(lái)艦船多葉片螺旋槳的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供一種全新的、具有較強(qiáng)應(yīng)用性優(yōu)化方向與思路。

1 艦船多葉片螺旋槳角度的實(shí)時(shí)調(diào)整方法

1.1 控制方程

艦船多葉片螺旋槳角度的實(shí)時(shí)調(diào)整過(guò)程中，采用協(xié)同射流控制技術(shù)，通過(guò)該技術(shù)控制射流擾動(dòng)，經(jīng)由射流擾動(dòng)的控制實(shí)時(shí)調(diào)整艦船多葉片螺旋槳角度。協(xié)同射流控制技術(shù)中的控制方程選用三維雷諾平均NS 方程[5]，以表示控制體，利用式(1)能夠描述其積分形式的N-S 方程：

式中：和分別表示狀態(tài)矢量和對(duì)流通矢量項(xiàng)；S和分別表示艦船螺旋槳單葉片的參考面積和耗散通矢量項(xiàng)。不同項(xiàng)的具體計(jì)算公式描述如下：

式中：ρ和q=(u,v,w)T分 別表示射流密度和射流流體速度矢量；Q和c分別表示射流總能和射流壓強(qiáng)；H和Ix，Iy，Iz分別表示射流總焓和直角坐標(biāo)系單位坐標(biāo)向量；?表示直角坐標(biāo)系內(nèi)的平面。

同時(shí)，針對(duì)射流旋轉(zhuǎn)流動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下，式(1)等號(hào)左側(cè)項(xiàng)還需引入科氏力源項(xiàng)，其公式描述為：

N-S 方程的求解可選取基于格點(diǎn)格式的有限體積法。在模型構(gòu)建過(guò)程中，利用入口與出口的邊界條件描述內(nèi)部泵情況。以增強(qiáng)噴口與吸氣口流量分布仿真的準(zhǔn)確度為目的，在進(jìn)口、噴口和出口與吸氣口間分別設(shè)置彎管網(wǎng)格[6]，由此降低人工設(shè)定速度部分的誤差，提升數(shù)值模擬準(zhǔn)確度。

1.2 協(xié)同射流螺旋槳形態(tài)受力分析

利用協(xié)同射流控制技術(shù)控制的艦船多葉片螺旋槳，在承受螺旋槳型物面上氣動(dòng)力影響的同時(shí)，還受到吹吸氣所產(chǎn)生的反作用力[7]。P1和P2分別表示射流出口與入口區(qū)域的壓力值，V1和V2分別表示射流出口與入口區(qū)域的速度值，S1和S2分別表示射流出口與入口區(qū)域的面積，KP和KV分別表示影響螺旋槳形態(tài)物面上的壓力與粘性力所造成的力。以進(jìn)出口的動(dòng)量差與靜壓力之間的相加結(jié)果為射流擾動(dòng)所成型的作用力。依照沿流動(dòng)方向正方向得到：以和分別表示艦船多葉片螺旋槳?dú)獗贸隹趪姎馀c入口吸氣所產(chǎn)生的反作用力；?P1S1和?P2S2分別表示艦船多葉片螺旋槳?dú)獗贸隹趪姎馀c入口吸氣所產(chǎn)生的壓力。由此得到上述力在x方向上的合力計(jì)算公式：

利用式(5)描述y 方向合力：

1.3 噴口動(dòng)量系數(shù)及泵功率計(jì)算

利用協(xié)同射流控制技術(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整射流擾動(dòng)過(guò)程中，Cμ表示艦船多葉片螺旋槳的噴口動(dòng)量系數(shù)，其能夠描述噴氣量的大小，對(duì)于協(xié)同射流控制過(guò)程產(chǎn)生重要影響。Vj表示艦船多葉片螺旋槳噴口速度，則Cμ的計(jì)算公式如下：

利用式(9)能夠描述協(xié)同射流控制技術(shù)中，艦船多葉片螺旋槳驅(qū)動(dòng)泵的功率消耗情況：

式中：Cp和T0分別表示定壓比熱容和總溫； α表示艦船多葉片螺旋槳的氣泵效率假設(shè)值，通常情況下取值為0.9；，其中P01和P04表示艦船多葉片螺旋槳的氣泵吹氣口與吸氣口位置的總壓；ε表示值為1.4 的常數(shù)值。

艦船多葉片螺旋槳的氣泵功率系數(shù)為：

在實(shí)際確定氣動(dòng)效率過(guò)程中，需結(jié)合氣泵的能量消耗。以阻力描述氣泵消耗的功率，設(shè)定有效阻力與有效阻力系數(shù)，公式描述如下：

式中，CD表示艦船多葉片螺旋槳的阻力系數(shù)。

基于上述理論，結(jié)合艦船多葉片螺旋槳?dú)獗霉β氏牡纳璞萚8]，利用式(13)計(jì)算艦船多葉片螺旋槳?dú)獗玫挠行璞龋?/p>

針對(duì)傳統(tǒng)的艦船多葉片螺旋槳形態(tài)，不具備氣泵，也就是能量消耗值為0，由此可將式(13)轉(zhuǎn)換為艦船多葉片螺旋槳形態(tài)的氣動(dòng)效率計(jì)算公式。

基于上述過(guò)程所得噴口動(dòng)量系數(shù)與氣泵功率系數(shù)等參數(shù)，分析這些參數(shù)對(duì)協(xié)同射流的影響，基于這種影響實(shí)現(xiàn)艦船多葉片螺旋槳角度實(shí)時(shí)調(diào)整。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文研究射流擾動(dòng)下艦船多葉片螺旋槳角度的實(shí)時(shí)調(diào)整方法，為驗(yàn)證本文方法的應(yīng)用性能，選取某艦船的多葉片螺旋槳為研究對(duì)象，采用本文方法對(duì)其進(jìn)行螺旋槳角度的實(shí)時(shí)調(diào)整測(cè)試。測(cè)試過(guò)程中實(shí)驗(yàn)環(huán)境為：標(biāo)準(zhǔn)海平面大氣環(huán)境；風(fēng)速為15 m/s；迎角為20°±20°。

2.1 功率需求及效能比分析

分析不同迎角條件下，本文方法應(yīng)用過(guò)程中的功率需求與效能比分析結(jié)果，結(jié)果如表1 所示。分析可知，功率的數(shù)據(jù)模擬結(jié)果與數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果基本一致，這表明本文方法具有較強(qiáng)的可靠性，由此也能夠說(shuō)明本文方法應(yīng)用過(guò)程中所需的能量較少，具有較高的效能比。值得重點(diǎn)說(shuō)明的一點(diǎn)是，增升效能比與減阻效能比的值高于100% 并非表示本文方法是“永動(dòng)機(jī)”這只是說(shuō)明本文方法能夠有效解決流場(chǎng)特性問(wèn)題，提升原射流流動(dòng)的能量利用率，由此帶動(dòng)效率提升。

表1 不同迎角條件下增升減阻效能比及功率需求Tab. 1 Efficiency ratio and power demand for lift and drag reduction under different angles of attack conditions

2.2 零迎角條件下升力增量與減阻效率

圖1 為零迎角條件下，本文方法的升力增量與減阻效率。分析可知，針對(duì)升力增量來(lái)說(shuō)，堵塞比例同增升效果之間具有正比例相關(guān)性，也就是增升效果隨堵塞比例的提升而提升。針對(duì)減阻效率來(lái)說(shuō)，堵塞比例同減阻效率之間具有正比例相關(guān)性，也就減阻效率是隨堵塞比例的提升而提升，但同時(shí)效率的功率也有所提升，所以在堵塞比例由1/3 提升至1/2 的條件下，減阻效率并未繼續(xù)提升。

圖1 零迎角下本文方法的升力增量與減阻效率Fig. 1 Lift increment and drag reduction efficiency of our method at zero angle of attack

2.3 不同方法應(yīng)用性能對(duì)比

為驗(yàn)證本文方法在螺旋槳角度調(diào)整方面的應(yīng)用性能，選取文獻(xiàn)[3]中的基于螺旋槳三維模型的調(diào)整方法和文獻(xiàn)[4]中基于CFD 和有限元相結(jié)合的單向流固耦合法的調(diào)整方法為對(duì)比方法，分別獲取本文方法與兩種對(duì)比方法對(duì)螺旋槳角度進(jìn)行調(diào)整后，螺旋槳的所產(chǎn)生的推力和效率，結(jié)果如表2 所示。分析可知，3 種不同調(diào)整方法中，本文方法調(diào)整后所形成的推力最高，達(dá)到1587.56 N，與2 種對(duì)比方法相比提升6%以上。同時(shí)與基準(zhǔn)漿效率相比提升幅度也最高，達(dá)到0.590%，與2 種對(duì)比方法相比提升0.036%以上。以上數(shù)據(jù)充分說(shuō)明采用本文方法調(diào)整射流擾動(dòng)下艦船多葉片螺旋槳角度，能夠顯著提升螺旋槳的性能。

表2 不同方法的應(yīng)用性能對(duì)比Tab. 2 Comparison of application performance of different methods

3 結(jié) 語(yǔ)

本文研究射流擾動(dòng)下艦船多葉片螺旋槳角度的實(shí)時(shí)調(diào)整方法，利用協(xié)同射頻控制技術(shù)對(duì)射流擾動(dòng)進(jìn)行控制，由此實(shí)時(shí)螺旋槳角度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分說(shuō)明本文方法能夠顯著提升螺旋槳的性能。但由于時(shí)間所限，本文方法的研究也存在一定局限性，在后續(xù)研究?jī)?yōu)化過(guò)程中將綜合考慮船體阻力以及螺旋槳振動(dòng)噪聲等因素的研究，以期提升本文方法的應(yīng)用性能。