1、非线性涡格法预报桨后舵附推力鳍水动力性能第 34 卷2006 钜第 6 期6 月华中科技大学(自然科学版)J.HuazhongUniv.ofSci.Tech.(NatureScienceEdition)Vo1.34No.6Jun.2006非线性涡格法预报桨后舵附推力鳍水动力性能郭春雨黄胜(哈尔滨工程大学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨 150001)摘要:对螺旋桨与舵附推力鳍分别采用升力面法和非线性涡格法计算 .螺旋桨,舵附推力鳍两者之间的相互干扰采用迭代计算.数值计算过程中考虑了推力鳍端部分离涡的影响,提高了理论预报的准确性.螺旋桨尾流区分为过渡区和远尾流区.过渡区长度取 3.0D,以使舵附推力鳍
2、完全处于螺旋桨尾流的过渡区内,过渡区采用圆锥螺旋面来模拟涡片的变形现象.对影响推力鳍助推效率的几个主要参数进行了变尺度研究.并将结果与前人的计算结果进行了对比,计算结果显示螺旋桨后的舵附推力鳍助推效率随着安装角的改变而显着变化.存在最佳安装角,大约为 5.,离开这个最佳安装角,推力鳍的助推效率将下降推力鳍的展长与螺旋桨半径之比在 0.9 左右时推力鳍的助推效率最高螺旋桨进速系数越小,推力鳍的助推效率越大.关键词:螺旋桨;非线性涡格法舵附推力鳍 升力面法中圈分类号:U664.33 文献标识码:A 文章编号:1671-4512(2006)06-0087-03Studyoftherudderwith
3、additionalthrustfiasusedbynon-linearvortexlatticemethodGuoChunyuHuangShengAbstract:Liftingsurfacemethodandnon-linearvortexlatticemethodwereusedforthecalculationofpropellerandrudderwithadditionalthrustfinsrespectively.Hydrodynamicinteractionbetweenthemwasachievedbyinteractivecalculation.Thefreevortic
4、esattipsoftheadditionalthrustfinswereconsideredtoenhancetheprecisionofcalculation.Thewakeofpropellerwascomposedoftransitionandremotenessdomains.Thelengthoftransitiondomainwasaboutthreetimeofdiameterofpropellertocomprisetherudderwithadditionalthrustfinstotally.Thetransitiondomainwassimulatedbytaperhe
5、lixsurface.Throughchangingdimensions,thispaperstudiedtheprincipalparametersthataffectedadditionalthrustefficiencyofthethrustfins.Thecomparisonbetweentheoreticalresultandotherresultsshowedthatthepresentmethodwaseffectiveandusefu1.Theresultsrevealedthattheefficiencyoffinswassensitivetotheangle.Anoptim
6、alangleoffinsexistedwasabout5.Awayfromtheoptimalangle,theefficiencyoffinswoulddescendobservably.Thewingspanoffinsshouldbeabout0.9timeofpropellerradius.Alongwiththediminutionofadvancecoefficient,theefficiencyoffinswouldincrease.Keywords:propeller;nonlinearvortexlatticemethod;additionalthrustfins;lift
7、ingsurfacemethodGuoChunyuDoctoralCandidate;SchoolofShipbuildingEng.,HarbinEngineeringUniv.,Harbin】5000】.China.舵附推力鳍安装在螺旋桨后舵的两侧,是一种回收螺旋桨尾流能量的节能装置.是由日本的石川岛播磨重工(IHI)1983 年首先研制出来的.国内外对于推力鳍进行了一些试验研究,但是在理论研究方面的文章还比较少.本文采用非线性涡格法计算舵附推力鳍的定常水动力性能,收稿日期:20050701.作者简介:郭春雨(1981). 男 ,博士研究生;哈尔滨,哈尔滨工程大学船舶工程学院(15OOO1
8、)Email:gcy 一 ?88?华中科技大学 (自然科学版 )第 34 卷并考虑了推力鳍端部分离涡的影响.1 考虑螺旋桨及舵影响的推力鳍数值计算假设螺旋桨,舵附推力鳍组合体处于无粘,不可压,无旋均匀来流中,两者之问的干扰采用迭代处理.其坐标如图 1 所示.为了考虑螺旋桨,舵及推力鳍三者间的相互影响,在计算桨时以舵及推力鳍的奇点系对桨的诱导速度作为来流的一部分;计算推力鳍时则以桨和舵的奇点系对推力鳍的诱导速度作为推力鳍来流的一部分.图 1 螺旋桨及舵附推力鳍的坐标采用定常非线性涡格法计算推力鳍水动力性能.将推力鳍的中面分别沿各自的展向及弦向划分若干网格,将源及涡分别置于各网格单元内.在该平面上
9、沿来流方向划分 M 等分,垂直来流方向划分 N 等分,形成若干矩形网格,展向涡元布置在各网格的 1/4 弦长处,控制点选择在 3/4 弦长处,以满足库塔条件.线源布置在 3/4 弦长处,等值涡环模拟升力效应,离散等强度线源反映厚度影响.在推力鳍的尾缘处,有自由涡溢出.由于推力鳍为短翼,其端部效应影响较大.因此考虑将各自由端端部亦分布自由涡.可假定在初始阶段各自由端部溢出的涡面为一平面,其溢出的方向与当地流线的方向一致.在鳍中面上,各控制点满足不可穿透条件MyNFK 耐厂 FJ 一一 n(l+n+R)J=1MFXNF:D,Qn(=l,2,MFXNF),(1)式中:K 州为第 J 个单位强度附着涡
10、环在第 i 个控制点产生的诱导速度的法向分量;为来流速度;表示螺旋桨对鳍的诱导速度;V.表示舵对推力鳍的诱导速度;D 棚表示所有线源的影响系数.这样计算推力鳍的水动力性能问题就归结为求解具有 MXN 个未知环量 n,的线性方程组.在求得附着涡涡环的强度之后,便可以利用自由涡面等压的条件重新确定新的尾涡面.设某条自由涡线在第 i 个点的下泄速度Vn=(“,)=Vl+MFXNFMFXNFK 工 1FJ+DQFj,J1J1由此可以决定下一个节点的位置坐标r1 一(U,)At+r式中:K 为自由节点处,由涡诱导的 zYz 三个方向上的诱导速度影响系数;D 为源汇诱导速度影响系数.在确定了新的尾涡面和分
11、离涡面以后,重新计算附着涡的强度,再次确定新的尾涡面和分离涡面,迭代至收敛为止.2 推力鳍水动力计算推力鳍的附着涡强度确定之后,由伯努利方程求得上下表面的压力差:由 Ap 一声一声一-p(VV 一 VV)/2,得压力差 aP=-p(VAV),其中为第 i 个网格控制点处上下表面速度的连续部分,其值为除了计算本身的涡环以外,所有附着涡及自由涡在该点的诱导速度及线源的诱导速度,来流速度矢量和.MFXNF法向力系数 c 一PaS/(|DV;S/2),式中:S 表示舵翼面积;aS 表示第 i 个面元的面积;p 表示水的密度.由库塔茹可夫斯基定理,作用在展向,弦向涡段的切向力:F, prZCOSal;A
12、F,=p 厂 zsina,其中 a 为涡段与舵附推力鳍纵轴Y 的夹角,则导边吸力系数MFNFMFNFc 一 s/2;c= i=1pVs/2.p厶处于粘性流场中的物体除了在法向存在正压力之外,在切向还存在粘性阻力,粘性摩擦力估算采用ITTC 公式,Cf 一 2(1+t/c)Eo.o7a/(1gRe 一 2),式中:t/c 为厚度比;RP 为剖面的雷诺数.令推力鳍的导边吸力在一 z(螺旋桨轴反方向)方向的分量为 Srx,法向力与阻力分别设为 L与 D(如图 2 所示), 则Tl LFsinflDFCOs 口+S,其中是安装角与鳍的几何攻角之和.图 2 推力鳍(左) 的受力分析第 6 期郭春雨等.非
13、线性涡格法预报桨后舵附推力鳍水动力性能?89?推力鳍的安装角在舵的两侧是反对称的,在这里只表述左鳍的计算.令T 为推力鳍的附加推力(左鳍 ),右鳍的附加推力(AT,) 计算与左鳍相似.因此推力鳍的助推效率为 17.=(AT,+AT)/X100,其中丁是螺旋桨产生的推力.3 螺旋桨尾涡模型的处理采用升力面法计算螺旋桨水动力性能,具体的处理过程在这里不加详述.采用圆锥螺旋桨尾图 3 尾涡模型涡模型进行计算(见图 3).将尾流区分为过渡区和远尾流区.过渡区用圆锥螺旋面来模拟涡片的变形现象,过渡区长度取 3.0D,以使舵附推力鳍完全处于螺旋桨尾流的过渡区内.在远尾流区简化为 K 根集中的螺旋线稍涡和一
14、根直线毂涡.过渡区尾涡的几何形状表达式为一(r/2)(e 一 1)tanpr(r);YTrecos0211 一 re.sin0.式中;r,0 为柱坐标系中的坐标表示;nIn(r/r)/;r 为尾流半径;Fw/r 为尾流收缩半径比;0 为过渡区范围角;(r)为螺旋线螺距角 ,假定仅是 r 的函数,与 0,口无关;(r) 一 0.4l-p,(r)+(r),(r)一 arctan-V./(2,mr)为叶片的水动力螺距角;V.为螺旋桨前来流速度;7“l 为螺旋桨转速.(r)为叶片几何螺距角.4 数值计算结果本文选取了一组螺旋桨,舵附推力鳍进行变尺度计算,计算结果与文献 E43 的研究结果进行了比较,主
15、要尺度如下:a.螺旋桨 B4-55,直径 0.250m,毂径比 0.167,纵倾角 15.;b.舵 NACA0020,展长 0.250m;弦长 0.250m;舵角 0.;c.推力鳍NACA0010.4.1 推力鳍安装角 p 的影响由图 4 可知,助推鳍有一最佳安装角,大约为5o(在此安装角口指的是舵某一侧的安装角,J 为进速系数),原因在于鳍的阻力一般包括由有限翼展引起的诱导阻力和跟粘性有关的摩擦阻力.这两部分阻力各自存在使阻力最小的攻角,助推鳍的安装角口越大,则其有效攻角亦越大,其升力及阻力在其有效攻角较小时亦随之增大,但两者在轴向的合力并非随之增大,它存在最佳值.3.22.82.4誊 2.
16、0,1.61.20.80.4口/(.)图 4 助推效率随安装角的变化曲线4.2 推力鳍展长 S/R 的影响从图 5(a)可见当 S/R 一 0.9 左右时推力鳍的助推效率最高(R 为螺旋桨的半径).对于推力鳍来说,当其他参数不变时,展长 S 越大,展弦比越大,升力越大,但其摩擦阻力亦越大.当整个推力鳍都在尾流场之内场时,推力鳍表面的速度值较大,其附加推力亦较大;而当推力鳍伸出内场时,伸出部分鳍表面速度值明显下降,其附加推力亦明显下降,所以考虑到螺旋桨尾涡的变形,推力鳍展长在实际操作中可以取螺旋桨半径的 952/6 左右.2.2.2.1.sR(a).随 S/R 的变化曲线43210(b).随的变
17、化曲线图 5 助推效率随 s/R 及-,的变化曲线4.3 螺旋桨进速系数,的影响.由图 5(b)可知 ,螺旋桨的-, 越小,其助推效率越大,且螺旋桨负荷越重,其尾流场诱导速度越大,推力鳍表面之速度值亦越大,附加推力亦越大.参考文献E13 森正彦,山琦祯昭,藤野良亮,等.IHIAT.Fin-;I报原理扫土开凳要点J.石川岛播磨技报,1983,23(3):7-15.2石田骏一. 口亏后流回转 l 丰水,芊一匕叉二I 二土为回收 cy-),J.日本造船学会论文集 .昭和61 年,第 159 号:91-104.E33 王国强,胡寿根.螺旋桨性能和压力分布预估方法的改进J.中国造船,1988(1):2235.E43 陈东,王德恂.助推鳍理论计算J.武汉水运工程学院.1991,12(4):359364.
