高效翼型舵在潜艇上的应用

周轶美，张书谊，卢溦，何汉保

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

高效翼型舵在潜艇上的应用

周轶美，张书谊，卢溦，何汉保

中国舰船研究设计中心，湖北武汉430064

［目的］现代潜艇对操纵面设计的要求越来越高，使得设计者们需要不断研究新的舵型以提高操纵面的效率，而高效翼型舵是提高操纵面效率的有效措施之一。［方法］为此，在比较分析各种翼型优、缺点的基础上，提出一种优化的高效翼型舵，并采用数值计算的方法，比较分析潜艇上应用这种高效翼型舵与常规NACA舵的水动力特性和对尾部伴流场的影响规律，同时在拖曳水池中开展模型测力试验，发现试验结果与仿真计算结果一致性良好，误差不超过10%。［结果］研究结果表明：高效翼型舵的舵效比常规舵高40%以上，但对艇体总阻力的影响则与常规舵相当，不超过4%；采用高效翼型舵带来的升力效益要比其对艇体总阻力的影响大得多。［结论］表明高效翼型舵在提高操纵效率方面优势明显，有着较好的应用前景。

潜艇；高效翼型舵；水动力特性；尾部伴流场

0 引 言

随着潜艇技术的发展，对操纵面设计的要求越来越高。首先，常规潜艇的吨位越来越大，而受操纵面超宽、超基线等条件的限制，速升率等操纵性指标越来越难以达到要求，因此迫切需要提高操纵面效率来保证潜艇操纵性能。其次，潜艇隐身性能的发展也对操纵面设计提出了越来越高的要求。为使潜艇真正达到安静化的目标，各国海军一直在进行潜艇的减振降噪技术研究，包括降低水动力噪声方面的研究，而这也给操纵面的研究设计提出了更高的要求，例如，要求艉操纵面尽量远离螺旋桨盘面以减小对螺旋桨伴流场的影响；减小操纵面面积以降低声目标强度；控制操纵面展长以降低振动等。这些因素的制约使得操纵性设计的难度越来越大，需要设计者们不断尝试研究新的舵型来提高操纵面效率［1］。

采用高效翼型剖面形式是提高翼型效率的措施之一［2］。在潜艇上应用高效翼型剖面除了要有良好的舵效，还要求阻力不能增加太多，且应用于艉部舵时还要考虑不能明显影响螺旋桨噪声。针对这一需求，本文将对高效翼型舵在潜艇上应用的技术问题进行研究。

1 高效翼型舵剖面方案

1.1 常见的翼型剖面形式

为了提高舵的水动力性能，国内外流体力学专家学者们对翼型的剖面形式开展了大量研究，并发表了许多有关舵剖面形状和水动力方面的文献。在国外，比较著名的有美国国立空气动力学咨询委员会的NACA系列、前苏联克雷洛夫研究院的儒柯夫斯基НЕЖ系列、前苏联空气动力中心试验室的ЦАГЙ系列、德国哥廷根试验室的Gottigen系列以及德国汉堡造船研究所的Jfs系列（泰勒水池）等。

在国内，上海交通大学从国内外诸多翼型中改进、优选出了高效且水动力特性良好的JDYW系列翼剖面［3］，并在某型舰上开展了应用研究。其进行的约束模试验结果表明，在同样的面积及展弦比情况下，JDYW系列翼剖面的失速角不小于原NACA舵，噪声也不大于原NACA舵，但满舵时的相对回转直径D/L则比NACA舵缩小了28.5%。

武汉理工大学研制的鱼尾舵（或称“整流尾舵”）和原NACA舵相比可使升力系数提高1.5倍［4］，在相同的舵面积下，整流舵所产生的操纵性能效果明显优于常规NACA舵。且自航模试验也表明，满舵时整流舵的回转直径比常规NACA舵小25.7%。喻红霞［5］和杨建民［6］也对鱼尾舵的水动力性能进行了计算分析。

在这些剖面形式中，NACA系列的资料最齐全，综合性能较优，至今仍被广泛应用；НЕЖ系列的性能也较优，但其单尾缘尖锐不合实用；JFS系列的舵效很高，借鉴德国仙林舵发展过来WZF系列的舵效也很高，但必须配置上、下制流板，否则后半部的强度会略显不足。其中，JFS和WZF剖面形式有3个共同的特点：一是翼型最大剖面更靠近首缘而形成钝首缘；二是尾缘均为方缘；三是自最大剖面向尾缘的收缩剧烈，并出现了平直段。

由于这些几何特点增加了剖面弯度，改变了翼型的压力分布，故使之产生了有利于增加舵的法向力的作用，致使舵效大幅提高。但存在的问题是，因舵杆安装在最大剖面附近，而最大剖面又太靠近首缘，使得舵的平衡比过小。上海交通大学在分析4种优秀对称翼型（NACA系列、НЕЖ系列、JFS系列和WZF系列）的基础上，设计了JDYW对称翼型。上述5种较优秀的舵剖面形式如图1所示。以通常展弦比为1.5、厚度比为0.18的矩形平衡舵为例，5种翼型剖面的效率对比如表1所示［3］，表中t为舵厚，b为单舵舷长。

由表1中可看到，JDYW系列的舵效比NACA系列高出了45%，比WZF系列高出了2%，是一种比较优良的翼型，因此，后文中潜艇用翼型剖面的研究将在此基础上开展。

1.2 翼型剖面方案

为便于比较分析，本文选取了3种剖面方案：NACA翼型剖面、JDYW剖面和优化的高效翼型剖面。高效翼型剖面结合了JDYW系列和WZF系列翼型剖面的优点，将翼型设置成鱼尾，同时优化鱼尾型线的过渡性，改良舵机功率使用的合理性，并最大程度地增加舵效。

3种剖面的翼型剖面形式和型值对比如图2和图3所示。

2 敞水舵水动力特性对比分析

在敞水舵的数值计算方面，马玉成和李胜忠等［7-9］开展了大量研究。经验表明，采用SIMPLEC算法结合RNG k-ε湍流模式计算雷诺平均纳维—斯托克斯方程（RANS）可以获得较好的计算精度。压力方程采用标准的离散格式进行离散，动量方程、湍流方程、雷诺应力方程均采用二阶迎风格式进行离散。网格划分采用结构化网格，为有效模拟近壁面处的流动，在边界层区域内合理布置了网格并选择了适合的网格尺度。

2.1 计算域及边界条件

单舵的计算域如图4所示。计算域为长5b，高10 tmax（tmax为单舵最大厚度）的包围襟翼舵的矩形，矩形中心轴线与舵模型的对称轴重合；进流边界面为矩形前端面，距离模型首部1b；出流边界面为矩形后端面，距离模型尾部3b；外边界为矩形的4个侧面。

边界条件如下：

1）速度入口（Velocity inlet）：舵首部向前1b，设定来流速度的大小与方向，Vin=V0；入口处的湍动能和湍动能耗散率由经验公式确定：。

2）压力出口（Pressure outlet）：舵尾部向后3b，认为流动在该处已经充分发展，故边界条件使用压力出口。

3）壁面（Wall）：即单舵的外表面，设定无滑移条件，u=v=w=0（u，v，w分别为纵向、横向和垂向速度）。

4）外场：因流域外表面距离舵足够远，故可以认为在该面上没有法向速度，因此可以取边界条件为速度入口。

2.2 舵型表面压力分布

分别计算了来流速度6 kn，舵角0°，5°，10°，15°，20°，25°，30°，35°时的舵型表面压力分布，图5、图6为优化的高效翼型舵在15°舵角时舵表面的压力分布云图。

2.3 三种舵型单舵的水动力特性

由数值计算，得到3种舵型的阻力系数、升力系数和压力中心系数的比较如图7～图9所示。

由图中可看到：

1）单舵在升力大幅增加的同时，阻力增加也较多，高效翼型舵的升力和阻力增加均比JDYW舵大。与NACA舵相比，高效翼型舵的阻力提高了30%～40%，升力在小舵角时提高了约30%，在大舵角时提高了约60%。

2）3种舵型的压力中心系数差异明显，和NACA舵相比，高效翼型舵的压力中心系数后移了，且随着舵角的变化平缓，可以更利于舵轴的设置。

3 艇后舵水动力特性对比分析

艇后舵的水动力特性对比分析在NACA舵与优化的高效舵之间进行。

3.1 计算域及边界条件

计算域如图10所示。计算域为长5L（L为艇长），直径10B（B为艇宽）的包围潜艇的圆柱体，轴线与潜艇模型对称轴重合。进流边界面为圆柱体前端面，距离模型首部1L；出流边界面为圆柱端后端面，距离模型尾部3L；外边界为圆柱侧面。

边界条件如下：

1）速度入口（Velocity inlet）：潜艇艏部向前1L，设定来流速度的大小与方向，Vin=V0；入口处的湍动能和湍动能耗散率由经验公式确定：。

2）压力出口（Pressure outlet）：潜艇艉部向后3L，认为流动在该处已经充分发展，故边界条件使用压力出口。

3）壁面（Wall）：潜艇外表面，设定无滑移条件，u=v=w=0。

4）外场：因为流域外表面距离艇体足够远，故可以认为在该面上没有法向速度，因此可以取边界条件为速度入口。

3.2 两种舵对阻力及偏航力的影响计算分析

利用上述数值计算，得到2种舵对阻力和偏航力的影响如图11和图12所示。

由图11和图12可见，在小舵角时，高效翼型舵和NACA舵的阻力增加差不多，在30°舵角时，高效翼型舵的阻力增加比NACA舵大4.43%；而和NACA舵相比，高效翼型舵偏航力的增加则非常多，尤其在小舵角时尤为明显，在30°舵角时，偏航力的增加比NACA舵大41.23%。其原因是舵阻力在总阻力中只占很小的比例，而舵偏航力是引起艇转向的偏航力的主要成分。由此可见，采用高效翼型舵带来的升力效益要比其带来的对艇体的总阻力影响大得多。

4 模型试验结果与仿真计算结果对比分析

为了验证计算结果的准确性，在拖曳水池开展了敞水舵和艇后舵模型测力试验，试验模型如图13所示。

4.1 敞水试验

敞水试验数值计算结果与模型试验结果的对比分析如图14和图15所示。

由图中可看出，计算值与试验值的规律一致，升力计算与模型试验的误差基本在10%以内。

4.2 艇后试验

高效翼型舵艇后转舵试验结果与数值计算结果的对比如图16和图17所示。

由图中可看出，艇后舵数值计算结果与模型试验结果的一致性良好，误差小于10%，验证了数值仿真计算所得规律的合理性。

5 高效翼型舵对尾部伴流场的影响分析

图18～图22给出了常规十字舵和高效翼型舵舵角10°时的伴流情况。图中：Vθ/V为伴流；θ为周向角；R为螺旋桨半径。伴流取在桨盘面处，半径分别取为0.4R，0.6R，0.8R，1.0R和1.2R。

由图可见，与常规舵相比，在所有半径处，高效翼型舵尾部伴流场的不均匀度更大，特别是小半径处，不均匀度增加了60%～70%。

然而高效翼型舵对尾部伴流场不均匀度的影响大并不代表对螺旋桨噪声的影响就大，因为螺旋桨具有滤波作用，只有在谐调频率等于叶数或其整倍数的伴流场谐调分量时才对螺旋桨的推力脉动、转矩脉动和切向力脉动有影响［10］。所以，舵型对螺旋桨噪声的影响有可能与对伴流场不均匀度的影响相反，舵型对螺旋桨噪声的影响还有待进一步的研究探讨。

6 结 语

由上述计算及对比分析可以看到，对于相同的舵面积和展弦比，高效翼型舵的舵效与常规舵相比在整个舵角范围内均提高了40%以上；但其对艇体总阻力的影响与常规舵相当，在大舵角下不超过4%。采用高效舵带来的升力效益要比其带来的对艇体总阻力的影响大得多，在提高操纵效率方面优势明显，有着较好的应用前景，可将其应用于艏部舵以减小艏舵尺度，而对于艉部舵上的应用，则还需进一步研究探讨其对螺旋桨噪声的影响。

［1］ 余贤红，林俊兴.带副舵的潜艇尾舵受力分析［J］.船海工程，2005（6）：28-30.

YU X H，LIN J X.Analysis of the hydrodynamic forces on the stern-plane with assistant rudder of submarine［J］.Ship&Ocean Engineering，2005（6）：28-30（in Chinese）.

［2］ 祝享元，黄胜，郭春雨，等.桨后扭曲舵的理论设计及水动力性能计算［J］.哈尔滨工程大学学报，2008，29（2）：126-129.

ZHU X Y，HUANG S，GUO C Y，et al.Design and per⁃formance of a skew rudder behind a propeller［J］.Jour⁃nal of Harbin Engineering University，2008，29（2）：126-129（in Chinese）.

［3］ 朱文蔚，王文富，郭斌灿，等.一种实用的高性能对称翼型［J］.上海交通大学学报，1996，30（10）：35-40.

ZHU W W，WANG W F，GUO B C，et al.A practical symmetric aerofoil with high effectiveness［J］.Journal of Shanghai Jiaotong University，1996，30（10）：35-40（in Chinese）.

［4］ 陈伟民.舵型变化对船舶操纵性能的影响［J］.交通部上海船舶运输科学研究所学报，2002，25（1）：40-43.

CHEN W M.The effect of rudder forms on ship maneu⁃verability［J］.Journal of SSSRI，2002，25（1）：40-43（in Chinese）.

［5］ 喻红霞.鱼形舵定常升力的数值模拟与试验研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工程大学，2003.

［6］ 杨建民.鱼尾舵水动力性能研究［J］.水动力学研究与进展，1999，14（2）：162-168.

YANG J M.Prediction of performance of the shilling rudder behind a propeller［J］.Journal of Hydrodynam⁃ics，1999，14（2）：162-168（in Chinese）.

［7］ 马玉成，林俊兴，赵阳.敞水舵水动力数值计算及分析［J］.中国水运，2008，8（12）：1-3.

［8］ 李胜忠，赵峰，杨磊.基于CFD的翼型水动力性能多目标优化设计［J］.船舶力学，2010，14（11）：1241-1248.

LI S Z，ZHAO F，YANG L.Multi-objective optimiza⁃tion for airfoil hydrodynamic performance design based on CFD techniques［J］.Journal of Ship Mechanics，2010，14（11）：1241-1248（in Chinese）.

［9］ GIM O S，LEE G W.Flow characteristics and tip vortex formation around a NACA 0018 foil with an end plate［J］.Ocean Engineering，2013，60：28-38.

［10］ 熊紫英，孙红星，朱锡清.船尾伴流场与螺旋桨低频噪声相关性研究［C］//第十四届船舶水下噪声学术讨论会论文集.重庆：中国造船工程学会，2013：282-288.

High-efficiency airfoil rudders applied to submarines

ZHOU Yimei，ZHANG Shuyi，LU Wei，HE Hanbao
China Ship Development and Design Center，Wuhan 430064，China

Modern submarine design puts forward higher and higher requirements for control surfaces,and this creates a requirement for designers to constantly innovate new types of rudder so as to improve the efficiency of control surfaces.Adopting the high-efficiency airfoil rudder is one of the most effective measures for improving the efficiency of control surfaces.In this paper,we put forward an optimization method for a high-efficiency airfoil rudder on the basis of a comparative analysis of the various strengths and weaknesses of the airfoil,and the numerical calculation method is adopted to analyze the influence rule of the hydrodynamic characteristics and wake field by using the high-efficiency airfoil rudder and the conventional NACA rudder comparatively；at the same time,a model load test in a towing tank was carried out,and the test results and simulation calculation obtained good consistency:the error between them was less than 10%.The experimental results show that the steerage of a high-efficiency airfoil rudder is increased by more than 40%when compared with the conventional rudder,but the total resistance is close: the error is no more than 4%.Adopting a high-efficiency airfoil rudder brings much greater lifting efficiency than the total resistance of the boat.The results show that high-efficiency airfoil rudder has obvious advantages for improving the efficiency of control,giving it good application prospects.

submarine；high-efficiency airfoil rudder；hydrodynamic characteristics；wake field

U661.33

A

10.3969/j.issn.1673-3185.2017.02.009

http://kns.cnki.net/kcms/detail/42.1755.TJ.20170313.1608.022.html

周轶美，张书谊，卢溦，等.高效翼型舵在潜艇上的应用［J］.中国舰船研究，2017，12（2）：71-77.

ZHOU Y M，ZHANG S Y，LU W，et al.High-efficiency airfoil rudders applied to submarines［J］.Chinese Journal of Ship Research，2017，12（2）：71-77.

2016-08-29 < class="emphasis_bold"> 网络出版时间：

时间：2017-3-13 16:08

周轶美（通信作者），女，1972年生，硕士，高级工程师。研究方向：舰船操纵性

期刊网址：www.ship-research.com