扭曲舵设计及性能分析*

王友乾 叶金铭 王 威

(海军工程大学舰船工程系 武汉 430033)

扭曲舵设计及性能分析*

王友乾 叶金铭 王 威

(海军工程大学舰船工程系 武汉 430033)

对螺旋桨建模及网格划分并在Star-CCM软件里进行水动力性能计算，根据桨的尾流场提取出每个舵叶剖面的扭曲角度、设计的扭曲舵.数值计算了不同舵角下扭曲舵和普通舵所受到的横向力、转矩，以及舵吸力面的压力分布，分析扭曲舵相比普通舵的舵力性能优势及抗空化性能.计算结果表明，扭曲舵的受力状态相对普通舵有明显改善，提高了舵的空化的初始航速，同时对船的直航性和舵的操纵性能有提升.

扭曲舵；Star-CCM；舵水动力性能；螺旋桨；压力分布

0 引 言

水面船的舵布置在螺旋桨后方，螺旋桨尾流场存在旋转分量，普通舵设计未充分考虑螺旋桨旋转尾流特点，导致普通舵在空化、振动及操纵性方面存在一定问题.针对普通舵的这些问题，扭曲舵根据桨后尾流场分布情况在不同高度的剖面偏转一个角度，使之与桨后尾流场有更充分的配合，进而提高和改善船舶的推进和操作性能，改善舵在桨尾流中存在的空化、振动问题.

在国内，董国祥[1-5]等对扭曲舵的研究成果表明，扭曲舵[6]在水动力性能、助推效率、抗空化性能方面都优于普通舵，在0°舵角时同时扭曲舵可以明显的减少舵上的横向力和舵轴的转矩，改善舵轴的受力，有利减轻了多轴及舵机系统[7]的负荷.

1 基于Star-CCM 软件的桨后尾流场计算精度验证

1.1 桨的参数

以DTRC4119桨为研究模型，在三维软件solidworks建模，分别用ICEM软件生成结构网格模型和Star-CCM软件生成非结构网格模型，再统一用Star-CCM软件进行边界条件的、湍流模型选择和求解控制参数进行选择和设置，对螺旋桨进行尾流场模拟计算，与试验值对比进行校核本文的精度.

DTRC4119桨主尺寸参数见表1.

1.2 网格划分

用ICEM软件生成的DTRC4119桨的结构网格，见图1.

图1 DTRC4119桨的结构网格

用Star-CCM软件生成的DTRC4119桨的非结构网格见图2.

图2 DTRC4119桨的非结构网格

一般而言，结构网格生成质量好，网格的划分比较耗时；非结构网格生成速度快，但计算速度和网格质量与结构网格相比都会下降.

1.3 尾流场计算

用Star-CCM软件计算螺旋桨DTRC4119在x/R=0.295，r/R=0.7处的速度分布，计算结果与实验的对比，见图3～5.

图3 轴向速度

图4 切向速度

图5 径向速度

从图3～5可见，2种网格的计算值与实验者吻合比较好，只是在对应于螺旋桨尾涡面的峰值处差距较大，这是由于本文假设尾涡面是零厚度，而在实际流场中，尾涡面是有一定厚度的，因此,实验结果的峰值范围较计算值为宽，在尾涡面内峰值叶较大[8].

计算结果表明，结构网格和非结构网格计算结果与实验吻合非常好，Star-CCM软件生成的非结构网格满足水动力性能计算要求，为后面扭曲舵的设计和水动力性能计算做准备.

2 扭曲舵的设计

2.1 理论设计

扭曲舵的理论设计是在桨的参数基础上确定舵的主要参数，在设计的工况下求出螺旋桨尾流场的诱导速度后，而后进行扭曲舵的设计.在扭曲舵设计中不考虑桨舵之间的相互影响，以及舵对桨尾流场诱导速度的影响.根据舵位置处的桨产生的诱导速度来分析舵的来流速度以及攻角情况.

在敞水条件下，采用笛卡尔坐标系，舵的导边到随边为x方向，舵的横向为z方向，舵展长y方向；设螺旋桨转数为n，入口来流速度为vs，螺旋桨在舵位置产生的诱导速度分别为vx，vy，vz，当舵角为零时，舵叶元体的来流vR为

(1)

舵叶元体来流水平面上的分量v为

(2)

根据vx和vz计算出舵叶元体的来流攻角，见图6.β为来流vR在x-z水平面上的分量v与水平线上的夹角；θ为舵的叶元体翼玹与水平夹角，来流攻角为β-θ.

(3)

图6 舵叶元体来流分析

2.2 扭曲舵模型设计

2.2.1 计算对象

在敞水条件下，以某桨的尾流场来设计扭曲舵，桨的主要参数见表2.

表2 桨的主要参数

用Star-CCM对某桨进行非结构网格生成、边界条件设置、湍流模型选择、求解器参数设置.各项数值格式和选项设置见表3.

表3 各项参数设置

为避免外域对桨内域的干扰，外域尺寸直径为1 400 mm，入口段长度为1 000 mm，出口段为长度为3 400 mm.内外域网格见图7.

图7 内外域网格

2.2.2 舵位置处的诱导速度

使用Star-CCM对某桨进行水动力性能计算，桨后舵安装位置见图8，选择20个诱导速度采集点见图9.

图8 舵的位置

图9 桨后诱导速度采集点

在敞水状况下，用Star-CCM软件计算桨的定常尾流场.外域和桨旋转域总网格数为160万时，舵位置处水平方向诱导速度vx，vz沿舵轴方向分布见图10.

图10 诱导速度vx，vz沿舵轴方向分布

根据诱导速度vx和vz计算出扭曲舵每个舵叶元体的扭曲角度.考虑到网格数对尾流场精度计算影响，以及结构网格和非结构网格的计算结果的差别.

分别进行5组计算，每一组的网格数或网格类型不同，对比分析设计得到扭曲舵扭曲角度，见图11，L为舵叶展长.

图11 不同组计算结果比较

由图11可知，不同组计算的扭转度数差距不大，5组计算结果曲线基本吻合，说明单纯改变网格类型及增加网格数量对设计的舵叶元体扭转度数影响不大.

文中在扭曲舵设计中，考虑到计算的工况较多，计算量大情况.选择网格数最少的第一组作为计算基础.

2.2.3 扭曲舵的建模

在不改变普通舵的基本主尺度条件下，对普通舵沿展长方向等分为20站见图12.

根据桨的尾流场计场计算出每站舵叶元扭曲角度，在普通舵的基础上扭转舵叶元体，生成扭曲舵见图13.

图12 普通舵

图13 扭曲舵

2.2.4 扭曲舵水动力性能计算

桨和舵的计算域见图14.在Star-CCM软件中选择MRF运动坐标系模型，进口边界设定为速度进口条件，出口边界为压力出口，螺旋桨和舵表面为无滑移无边界，旋转域和静止域交界处为交换面.

图14 桨和舵的计算域

流体假定为恒温不可压缩流体，计算中选SSTk-ε湍流模型[9]，对旋转MRF模型初算出流场，再用滑动网格模型[10]完成计算.

入口来流速度设置为4.8 m/s，螺旋桨的转速n=1 200 r/min，分别在不同舵角下对普通舵和扭曲舵进行共数值计算.计算工况见表4.

表4 计算工况

3 计算结果及分析

3.1 计算结果

舵角为负数表示打右舵，正数为打左舵，Fz为舵所受的横向力、M为舵受到的转矩.计算结果见图15.

图15 舵的横向力

由图15可知，扭曲舵的横向力分布对称性相比普通舵更好，扭曲舵在6个不同舵角中受到的最大转矩为2.8 N·m，普通舵的最大转矩为3.4 N·m.结果表明,扭曲舵可以减轻舵控制结构的负荷，也有利于改善船的操纵性.

3.2 舵的横向力

一般而言，装配普通舵的船，直航时由于桨尾流的不均匀性，必须打一定舵角才能保证船的直航性能.扭曲舵是根据桨后不均匀尾流场来设计的， 在0°舵角时，扭曲舵的横向力为-0.4 N相比普通舵为-45.6 N，数值上相差极大，扭曲舵对船的直航性能改善明显；扭曲舵和普通舵的转矩分别为-0.01,-0.9 N·m，扭曲舵的转矩相比普通舵缩小了90倍.

计算结果表明，扭曲舵在0°的受力状态有明显改善，提升船的直航性能.

3.3 压力分布计算结果与分析

在0°舵角条件下，入口来流速度为4.8 m/s，螺旋桨以1 200 r/min工况下，对普通舵和扭曲舵的压力分布进行比较分析.图16为2种舵的吸力面压力分布.

图16 2种舵的吸力面压力分布

从压力分布图可以看出，扭曲舵的负压力峰值比普通舵明显小，负压峰值分布相比普通舵更均匀，有利于舵的抗空化性能.

为了更加清晰地区分扭曲舵和普通舵的负压峰值的分布情况，取负压峰值分布较为集中的y=0.5L展长向位置的截面进行压力分布比较，见图17.

图17 y=0.5L展长位置

从y=0.5L展长压力分布情况可以比较出，普通舵的负压峰值在-15 kPa左右，而扭曲舵的负压峰值在-10 kPa左右，负压值幅度明显降低，降幅到达33%，表明扭曲舵可以明显的抑制舵空化.

4 结 束 语

文中对扭曲舵和扭曲舵进行数值计算，在相同的计算工况下，比较分析了扭曲舵和普通舵的压力分布，计算结果表明扭曲舵有更好地抗空化性能在相同工况下可以提高舵的空化起始航速.

通过对扭曲舵和普通舵在不同舵角情况下的舵力、转矩进行初步分析研究，计算结果表明，在0°舵角时扭曲舵相比普通舵可以明显的减少舵所受的横向力和舵轴的转矩，改善舵轴的受力，有利减轻舵轴及舵机系统的负荷，同时对船的直航性能有很大提高.后续将在现有研究基础上进一步对扭曲舵、桨、船体3者装配下的空泡、操纵性能数值计算分析.

[1]董国祥.助推节能扭曲舵的理论预报[J].船舶，1994(6):58-63

[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.

[3]刘登成，黄国富.高效扭曲舵水动力特性数值分析[C].第十一届全国水动力学学术会议，中国,无锡:2011.

[4]叶金铭，王威，李渊.抗空化扭曲舵设计及力学特性研究[C].2015年船舶水动力学会议，中国,哈尔滨:2015.

[5]朱军，曾广会，黄昆仑.扭曲舵的水动力性能特性计算研究[C].2007年船舶力学学术会议暨《船舶力学》创刊十周年纪念学术会议论文集，中国,银川:2007.

[6]WANG Chao, HE Miao, WANG Guoliang, et al. Design and performance analysis of twisted rudder based on the maximum reduction of rudder resistance[J]. Journal of Ship Mechanics,2014(4):55-59.

[7]齐慧博.扭曲舵的水动力性能研究[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010.

[8]苏玉民，黄胜.船舶螺旋桨理论[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社，2003.

[9]王超,黄胜,常欣,等.基于滑移网格与RNGk-ε湍流模型的桨舵干扰性能研究[J].船舶力学,2011,15(7):715-721.

[10]王福军.计算流体动力学分析：CFD软件原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2004.

Skew Rudder Design and Performance Analysis

WANG Youqian YE Jinming WANG Wei

(DepartmentofNavalArchitectureEngineering,NavalUniversityofEngineering,Wuhan430033,China)

The hydrodynamic performance of propeller is analyzed by Star-CCM software. The skew rudder is designed according to the angle of each blade profile in propeller wake field. Transverse force, torque and rudder pressure distribution on the suction surface of skew rudder and ordinary rudder with different rudder angle are calculated to analyze the rudder force performance and cavitation resistance of the skew rudder. The calculation results show that the stress of the skew rudder has improved significantly compared with ordinary rudder. And the initial speed of the rudder cavitation has increased. Besides, the skew rudder improves the direct manipulation performance and steering performance of ship.

skew rudder; Star-CCM; hydrodynamic performance of the rudder; propeller; pressure distribution

2016-11-09

*国家自然科学基金项目资助(51579243)

U661.3

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.023

王友乾(1992—)：男，硕士生，主要研究领域为舰船流体力学