导缘带凹凸结节船用舵的模型试验研究

程相茹 黄晓雪

（渤海船舶职业学院 葫芦岛125000）

导缘带凹凸结节船用舵的模型试验研究

程相茹 黄晓雪

（渤海船舶职业学院 葫芦岛125000）

系统研究了导缘带凹凸结节的船用舵水动力性能，通过循环水槽模型试验的方法模拟船用舵在一定来流的水中工作情况。制作导缘光滑和导缘带凹凸结节的船用舵的试验模型；针对同一个模型在循环水槽中进行三次来流速度相同的试验；记录并处理试验数据。模型试验结果表明：当其他条件相同时，在船用舵的导缘布置正弦的凹凸结节，可以提高船用舵的水动力性能，并延缓失速现象的发生。

船用舵；正弦导缘；模型试验；失速角；升阻比

引 言

目前，针对船用舵减阻节能的研究一直都是各国专家探讨的热门问题，［1］无论是采用何种方式降低船用舵的阻力，达到减阻节能的目的，都需要安装额外的装置进行船用舵的减阻。［2］肋条减阻能有效降低壁面摩阻，经研究表明：V形肋条减阻效果最好，减阻率最大可达10%。［3］然而这种减阻方式需要额外安装肋条，因而增加了建造的工作量。哈尔滨工程大学的王炳亮等研究船舶微气泡减阻的数值模拟，分析船速、通气速度、通气浓度对微气泡减阻效果的影响，［4］但是微气泡减阻需要的工艺手段极其复杂，要达到广泛应用较为困难。2004年，美国科学家通过研究座头鲸的鳍状前肢，发现导缘凹凸的鳍状前肢更能提高座头鲸捕食的灵敏性和快速性。针对这一现象，科学家们建立了比例为1︰1的仿生模型，在风洞进行模型试验，结果表明：导缘凹凸可以提高三维鳍状前肢的气动性能。［5］

美国科学家们将导缘凹凸应用到展弦比接近4的三维鳍状前肢上，这类似于飞机的机翼。基于这一理论，本文将带凹凸结节的导缘应用到船用舵上，通过一组模型试验，分析对比试验数据，验证导缘凹凸在船用舵上也可以提高其水动力性能的结论。

1 试验模型的设计与加工

1.1 模型参数

表1为试验模型的主要参数，其中将导缘光滑船用舵命名为A1，导缘带凹凸结节船用舵命名为B1，以便于试验结果的分析。

表1 试验模型主要参数

带凹凸结节船用舵B1的导缘侧轮廓线形状是标准正弦曲线，周期N = 3.5，波幅A =10 mm，4个凹凸结节，曲线作用范围为整个船用舵的展长。

1.2 模型加工

船用舵的材料是厚度为5 mm的有机玻璃，图1是船用舵的截面模型，通过叠加NACA0020截面就可以制造整个船用舵。对于导缘光滑的船用舵各个截面的弦长相同，对于导缘带凹凸结节的船用舵各个截面的弦长不同，位于正弦曲线的波峰和波谷分别是最大弦长和最小弦长。图2是截面粘贴之后的模型，图3是表面经过涂抹原子灰并经多次打磨直至舵表面光滑的模型，图4是经过涂漆完工之后的试验模型。

图1 模型截面

图2 粘贴之后的模型

图3 表面处理后的模型

图4 试验模型

2 试验方案设计

2.1 试验设备

本试验是在哈尔滨工程大学水池试验室的循环水槽中进行的，水槽的长度为4 m，水槽宽度为0.58 m，试验时水槽内的水位高度为0.5 m，图5为试验所用的循环水槽。图6是船用舵在循环水槽安装图，图7是读数时使用的应变式测力天平。

图5 试验水槽

图6 B1在循环水槽中的安装图

图7 应变式测力天平

试验开始时，模型开始受力，测力天平感应出模型的受力，并通过动态信号测试分析系统将模型的受力信息采集并输入到电脑中，采用专门的软件记录试验数据。

2.2 试验内容与步骤

2.2.1 试验内容

（1）通过敞水试验测出A1各个角度的升力、阻力、升阻比，并确定其失速角。

（2）通过敞水试验测出B1各个角度的升力、阻力、升阻比，并确定其失速角。

其中，试验时电动机转动频率为34.35 Hz，试验的水流流速为0.6 m/s，Re=1.35×105，水流速度的选择依据文献。［5］水槽温度为10℃～15℃，并保持在这一范围内。试验时从0°攻角开始每隔5°测量一次，通过船用舵升力和阻力的变化趋势，确定失速角大概范围，然后在这一区间每隔1°进行测量，测出具体船用舵的失速角。

2.2.2 试验步骤

（1）调整动态信号测试分析系统控制软件的参数，对流速测量仪进行标定，以确定流速仪的修正系数，建立水槽流速与流速控制系统变频调速频率之间的对应关系。

（2）测力天平固定在水槽的中间位置，安装试验模型，使其处于合适的入水深度与迎流攻角。

（3）连接导线，通电并检查各仪器，仪表工作是否正常。通电并启动水槽控制器，调整调速旋钮改变变频调速器的频率值（逐渐由小变大），以改变水槽中水流的流速至所需值，同时对模型受力进行测量。

（4）数据采集，改变模型的迎流攻角，然后重复上述步骤，得到船用舵在不同攻角下的升力、阻力曲线以及升阻比曲线。

（5）试验完毕，关闭水槽控制器、数据采集仪器等。

（6）整理试验数据。

2.3 数据采集

（1）水流速度

水槽控制器的控制面板上有调速旋钮，可以对水流速度进行控制。由于电动机的转动频率与流场的速度基本成正比关系，所以通过毕托管对流速进行标定。图8是频率-速率曲线。

图8 频率-速率曲线

（2）升力、阻力和失速角

模型试验中的数据通过应变式测力天平进行测量。来流流经舵表面，测力天平分别感应来流方向的合力，即阻力；感应水流方向垂直的合力，即升力。测力天平上的刻度盘来确定失速角，试验进行三次，保证读数准确。

2.4 数据处理

将测得的数据通过最小二乘法进行处理，［6］所需计算公式如下：

（1）升力系数

升力表示为L，定义升力系数CL表示为

式中： ρ为流体密度，kg/m3；为来流速度，m/s；S为船用舵平面面积，m2。

（2）阻力系数

阻力表示为D，则阻力系数CD表示为

式中： ρ为流体密度，kg/m3；为来流速度，m/s；S为船用舵平面面积，m2。

3 试验结果分析

将试验所测得的升力和阻力经过无量纲化得到升力系数CL、阻力系数CD以及升阻比。表2和表3分别为导缘光滑船用舵A1的试验数据以及导缘节凹凸结节船用舵B1的试验数据。

表2 导缘光滑船用舵A1的试验数据

表3 导缘带凹凸结节船用舵B1的试验数据

由表2可知，导缘光滑船用舵A1的失速角为26°，最大升力系数为0.823。由表3可知，导缘带凹凸结节船用舵B1的失速角为29°，最大升力系数为0.930。与导缘光滑船用舵A1比，失速角增加11.538%，最大升力系数提高13%。

图9（a）为两船用舵的升力系数和阻力系数试验值，当α＜20°时，A1和B1的升力系数和阻力系数基本重合。当α＞20°时，B1的升力系数明显大于A1的升力系数，特别是当A1失速以后，B1的升力系数继续增大。图9（b）为两船用舵的升阻比试验值，当α＜8°时，两舵的升阻比曲线基本重合。当8°＜α＜13°时，A1的升阻比大于B1的升阻比，在这一攻角范围内，导缘光滑船用舵性能要优于导缘带凹凸结节船用舵。当α＞13°时，B1的升阻比要大于A1的升阻比，并都随着攻角的增大逐渐减小。

图9 A1和B1的试验值数据对比

依据以上分析，可知导缘带凹凸结节的船用舵可以提高升力、降低阻力达到延缓失速的目的。这是因为在导缘布置凹凸结节可以产生反向旋转的旋涡，当流体从船用舵导缘流经随缘直至尾流区域，凹凸结节使流体流动更加均匀，流体会紧贴壁面流动，从而减小旋涡的产生，同时又将旋涡产生的能量吸收利用，降低旋涡尺寸，这样的效应延缓了船用舵的失速现象。

4 结 论

本文设计并制作了导缘光滑和导缘带凹凸结节的两个船用舵试验模型，通过在循环水槽进行船用舵的水动力性能试验，分析试验测得的数据，得出以下结论：

（1）在其他条件不变的情况下，与导缘光滑的船用舵相比，在船用舵导缘布置凹凸结节可以提高船用舵的水动力性能，延缓失速。

（2）与导缘光滑船用舵相比，导缘带凹凸结节的船用舵最大升力系数提高13%，失速角增加11.538%。

（3）在攻角较大的工况下，导缘带凹凸结节提高船用舵水动力现象明显，在较小攻角工况下，两种船用舵水动力性能基本相同。

本文的模型试验主要是用来验证将凹凸结节布置到船用舵的导缘上也可以提高升力、降低阻力并延缓失速，与国外学者将凹凸结节应用到大展弦比的机翼上同理，都可以获得较好的结果。有了本文的试验基础，下一步工作可以进行凹凸结节形状和个数等参数的研究，得出凹凸结节的分布规律对提高船用舵水动力性能影响的分布规律。

［1］罗晓园，李新，郑锐聪，等.基于内河运输船的新型全回转舵桨设计研究［J］.船舶，2013（4）：39-43.

［2］郭杰，耿兴国，高鹏，等.边界层控制法减阻技术研究现状［J］.鱼雷技术， 2008（1）：1-6.

［3］黄乐萍，范宝春，董刚.槽道湍流壁面展向周期震动减阻机理研究［J］.南京理工大学学报，2010（3）：361-366.

［4］王炳亮.船舶微气泡减阻数值模拟及机理研究［M］.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，2012：38-60.

［5］MIKLOSOVIC D S，MURRAY M M，HOWLE L E，et al. Leading-edge tubercles delay stall on humpback whale（Megaptera novaeangliae）flipper［J］. Physics of Fluids，2004（5）：39-42.

［6］徐士良. FORTRAN常用算法程序集［M］.北京：清华大学出版社，341-346.

Model test of leading-edge tubercle rudder

CHENG Xiang-ru HUANG Xiao-xue
(Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao 125000, China)

This paper systematically investigates the hydrodynamic performance of leading-edge tubercle rudder by simulation of operation condition of rudder in steady in fl ow through the model test in circulating water tunnel. Firstly, it builds models of rudder with smoothing leading-edge and tubercle leading-edge. Secondly, it carries out the model tests with the same in fl ow velocity three times for the same rudder in circulating tunnel. Finally, it records and processes experimental data. The model test results show that, under the same condition, rudder with sinusoidal tubercle leading-edge can improve the hydrodynamic performance of ship rudder and delay the phenomenon of stalling.

Rudder; sinusoidal leading-edge; model test; angle of attack; lift-drag ratio

U661.331

A

1001-9855（2014）04-0061-05

国家自然科学基金资助项目（41176074），博士点基金资助项目（20102304120026）。

2013-12-02 ；

2014-01-24

程相茹（1987-），女，助教，硕士，研究方向：船舶推进与节能技术。 黄晓雪（1988-），女，助教，硕士，研究方向：数字化造船。