基于Visual Basic 6.0的螺旋桨设计及性能预报软件

徐欣伟 叶恒奎 管延敏

华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉 430074

基于Visual Basic 6.0的螺旋桨设计及性能预报软件

徐欣伟 叶恒奎 管延敏

华中科技大学船舶与海洋工程学院，湖北武汉 430074

随着船舶行业的不断发展，迫切需要一种设计软件来提高螺旋桨的设计效率。基于Visual Basic6.0开发平台，结合Fortran和动态链接库技术，实现了螺旋桨设计及水动力性能预报软件的设计。软件运用升力线理论完成了螺旋桨的设计与优化，进而运用升力面理论对螺旋桨的性能进行了预报。该软件界面友好、功能完善、可视性强，试验结果证明，能快速准确地进行螺旋桨设计及性能预报，提高了螺旋桨的设计效率，具有良好的使用性。

Visual Basic 6.0；动态链接库；螺旋桨；升力线；升力面

1 引言

随着航运业和科学技术的不断发展，现代船舶不断向大型化、高速化方向发展，螺旋桨［1］作为在现代船舶上应用最广泛的推进器，其性能优劣在整个船舶设计过程中具有举足轻重的地位［2］。船舶螺旋桨理论研究是用流体力学的理论方法来解决螺旋桨的理论设计和性能计算问题，其力学模型主要有螺旋桨升力线理论、升力面理论［3］和面元法［4-5］。本文运用升力线理论和升力面理论制作了螺旋桨设计及性能预报软件，能在已知船型参数的情况下进行螺旋桨设计，并且能与现有螺旋桨进行对比和优化。

2 软件概述

螺旋桨设计及性能预报软件主要适用于船舶螺旋桨设计及优化，由Visual Basic调用动态链接库（Dynamic Link Library）来实现。Visual Basic是由美国微软公司开发的一种可视化、面向对象和采用事件驱动方式的结构化高级程序设计语言，可以高效、快速地开发在Windows环境下功能强大、图形界面丰富的应用软件系统。动态链接库是可被其他程序或动态链接库调用的由函数（过程）集合组成的可执行文件模块，它本身并不能运行，只能被Visual Basic和Visual C++等其它语言调用［6］。本文尝试将Visual Basic应用到螺旋桨设计及优化中，收到了良好的效果。

3 软件设计

3.1 软件的构成

根据螺旋桨设计的特点，本软件分为两个部分，即升力线理论设计和升力面理论设计。通过采用这种方式，用户可以通过以上方式从不同的方面来对螺旋桨进行设计和优化。软件的主要功能如下：

1）用螺旋桨升力线理论设计船用螺旋桨；

2）进行船用螺旋桨强度分析计算；

3）进行船用螺旋桨总图绘制［7］；

4）用定常升力面理论计算螺旋桨的水动力性能。

3.2 软件结构图

软件的结构如图1所示。

图1 软件结构图Fig.1 Software structure

3.3 动态链接库的实现

用Fortran函数创建一个动态链接库，其步骤为：首先建立一个新的Fortran的工程，在project中选择Fortran Dynamic Link Library，然后将所需要的Fortran代码添加进去，编译之后，就会在Debug文件夹中产生动态链接库。若需调用，只需将.dll和.lib文件添加到所需的文件夹中即可［8］。以下为两个数求和的实现。

ATTRIBUTES是Fortran用于声明微软扩展属性的元命令，DLLEXPORT的作用是声明该函数或子程序能被其他程序或动态链接库调用。其中，ATTRIBUTES和DLLEXPORT必须大写。abc为动态链接库名。

Visual Basic在调用Fortran动态链接库时，首先应在Visual Basic相应的Form中对被调用的动态链接库进行声明，语法为Private Declare Sub abc Lib＂abc.dll＂（a As integer，b As integer，c As integer）。其中，Declare语句的作用是声明对动态链接库的引用，abc Lib和abc.dll是动态链接库的名字。

3.4 升力线理论设计

在升力线理论设计中，螺旋桨环流理论设计有两种方法：一种为近似法，另一种为精确法。这两种方法的差别主要是在周向和轴向诱导速度的处理，以及升长系数和环量计算方面有所不同，其他设计方法基本一致［9］。本文依据上述理论和方法进行了螺旋桨设计，并在此过程中将两种方法求得的周向和轴向诱导速度、环量分布和升长系数进行了对比。

3.4.1 近似法

引入假定：螺旋桨尾流不收缩、忽略径向诱导速度、总的诱导速度与入流速度垂直等，按照上述假定，轴向和切向诱导速度之间有简单的三角关系表达式，且与哥尔斯坦函数k相关，Kramer曲线用来作为螺旋桨效率的第一次近似，以便于初步估算螺旋桨的水动螺距角。

推力系数：

将推力系数CT转化为理想推力系数CTi：

利用Kramer建立的敞水最佳螺旋桨理想效率曲线，由理想推力系数和进速系数便可获得理想效率。

对于螺旋桨的进角，有

对于螺旋桨的水动螺距角，有

对于非最佳均匀流螺旋桨，Kramer曲线可以用作第一次近似。用Kramer曲线可获得在0.7半径处的tanβi，它是径向任意螺距分布的基础。

推力系数CTi可以用下式进行计算：

式中，k为哥尔斯坦函数；λi＝xtanβi；xh为桨毂处的无因次半径；ut为切向诱导速度。

对于非粘性流，首先用Kramer曲线获得理想效率ηi，作为估计值，可根据下式来计算水动螺距角。

推力系数CTSi可以用下式进行计算：

3.4.2 精确法

在用精确法进行螺旋桨升力线理论设计过程中，与近似法的不同之处主要在于，精确法计算了诱导因子、周向和轴向诱导速度，以及环量分布和升长系数。因此，计算程序除了以上差别外，其他部分完全相同。

在本软件的设计中，采用了如下6种不同的方法来进行设计和比较：

1）均匀水流中的最佳环量螺旋桨设计计算（近似法）；

2）适应伴流中的最佳环量螺旋桨设计计算（近似法）；

3）均匀水流中的最佳环量螺旋桨设计计算（精确法）；

4）适应伴流中的最佳环量螺旋桨设计计算（精确法）；

5）均匀水流中的任意环量螺旋桨环量分布（精确法）；

6）适应伴流中的任意环量螺旋桨环量分布（精确法）。

界面如图2所示。

3.5 升力面理论设计

升力面法适用于桨叶较厚、弯度较大的螺旋桨，而且还可计算其桨叶表面的压力分布。其理论设计主要是利用定常升力面理论计算方法来计算螺旋桨的水动力特性［10］。依据网格划分法，划分桨叶涡网格如下。

在叶片区，在桨叶拱弧面上共划分MB×NB个四边形涡网格，在每个涡网格的弦向和径向边上都进行涡分布，并在径向边上进行源分布［11］，如图3所示。

在径向涡线段上分布源汇，是为了表示叶剖面厚度的影响。由于径向环量是处于辐向平面上，根据海姆霍兹定理，在径向涡线的两端，一定有自由涡线引出来，自由涡线沿着相邻上下弦向线延伸到随边，然后，在随边后顺着尾涡方向继续向后延伸，自由涡线与径向涡线一起构成一个马蹄形涡。因此，可以用叶面径向马蹄形涡分布来代替叶面四边形涡网格分布，这样，叶面上就共有MB×NB个马蹄形涡及MB×NB个源汇［12］，如图4所示。

叶片上下表面总的诱导速度分别为：

上表面：

界面如图5所示。

4 计算实例

4.1 升力线实例

以“最佳环量敞水螺旋桨（近似法）”为例，已知参数如下：

1）桨型参数：桨型为NACA－66型，桨叶数为5，螺旋桨直径3.81 m，转速300 r／min，空泡裕度为0，桨轴中心水下深度为3.658 m。

2）环境及材料参数：水密度为1 025 kg／m3，材料许用应力86.21 MPa。

3）动力参数：轴马力为32 600 hp，毂径比为0.2，船舶航速35 kn，推力减额0.05，螺旋桨单桨阻力889 600 N。

经运行程序进行计算后，得到的结果如表1、表2所示。

经过升力线优化后的螺旋桨CAD图如图6所示。

4.2 升力面实例

1）在进行升力面理论计算时，选用DTRC 4119型螺旋桨，进速系数0.833，远尾流梢涡螺距角20.34，过渡尾流区外螺距角18.14。

表1 螺旋桨几何参数Tab.1 Geometric parameters of propeller

表2 水动力参数Tab.2 Hydrodynamic parameters

程序计算结果如表3所示，与试验结果相比，误差在5%以内。升力面计算网格如图7所示，桨坡面压力分布系数如图8、图9所示。

5 结束语

表3 DTRC4119螺旋桨计算结果与试验结果的比较Tab.3 The results of propeller DTRC4119 compared with the experiment results

将Visual Basic应用于螺旋桨设计及性能预报软件的开发中，不仅界面友好，而且还能提供多种螺旋桨设计方式以及CAD绘图的输出，能将图形直观地予以显示，大大提高了螺旋桨设计开发的速度，具有良好的使用价值。

该软件计算结果准确，与试验结果相比，误差在5%以内。

［1］ CARLTON J.Marine propellers and propulsion［M］.Oxford：Butterworth Heinemann，2007.

［2］ 盛振邦，刘应中.船舶原理［M］.上海：上海交通大学出版社，2003.

［3］ KERWIN J E，LEE C S.Prediction of steady and unsteady marine propeller performance by numerical lifting－surface theory［J］.Society of Naval Architects and Marine Engineers，1978，86：218－253.

［4］ 钟伯文，乔志德.螺旋桨性能计算的升力线与升力面方法［J］.推进技术，1994（5）：41－47.

［5］ KERWIN J E，KINNAS S A，LEE J T，et al.A surface panel method for the hydrodynamic analysis of ducked propellers，ADA192569［R］.Massachusetts Inst.of Tech. Cainbridge Dept.of Ocean Engineering，1987.

［6］ 刘鹏，蒲军平.VB和Fortran语言混合编程在机构动力分析中的应用 ［J］.浙江工业大学学报，2010，38（1）：102－106.

［7］ 王跃辉.船用螺旋浆计算机辅助绘图［J］.大连海运学院学报，1989，15（4）：107－112，14.

［8］ 张学胜.用VB和Fortran混合编程开发科学计算软件［J］.计算机应用，2003，23（6）：12－13.

［9］ 谭廷寿.非均匀流场中螺旋桨性能预报和理论设计研究［D］.武汉：武汉理工大学，2003.

［10］ 谭廷寿，刘子洋.给定压力分布的螺旋桨面元法设计［J］.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2003，27（5）：663－666.

［11］ 张利军.螺旋桨性能预报的速度势面元法研究［D］.大连：大连理工大学，2006.

［12］ 覃新川，黄胜，常欣.船舶螺旋桨面元法的改进［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2007，35（5）：65－68.

Development of Propeller Design and Performance Prediction Software Based on Visual Basic 6.0

Xu Xin－weiYe Heng－kuiGuan Y an-min
College of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

High efficient design software is increasingly important to the development of propeller as much progress has been made in the ship industry.The propeller design software integrated with prediction of hydrodynamic performance was developed in the Visual Basic 6.0，coupled with the Fortran and dynamic link library technology.This user－friendly software use lifting line method to realize propeller design and optimization，and then by lifting surface method to predict hydrodynamic performance.The experiment results proof that the software provides benefits in the following：complete functions and high level of visual effect and good usability in rapid and accurate predictions and design.

Visual Basic 6.0；dynamic link library；propeller；lifting line；lifting surface

U661.1

A

1673－3185（2011）02－46－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.009

2010-06-08

徐欣伟（1987－），男，硕士研究生。研究方向：船舶与海洋水动力分析。E-mail：xxw1987＠foxmail.com叶恒奎（1946－），男，教授，博士生导师。研究方向：水动力学研究。E-mail：yhk484388＠sina.com