曾志波，姚志崇，王瑋波，丁恩寶

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

基于流固耦合相互作用的復合材料螺旋槳性能研究

曾志波，姚志崇，王瑋波，丁恩寶

（中國船舶科學研究中心，江蘇 無錫 214082）

開展復合材料螺旋槳流固耦合相互作用分析，為復合材料螺旋槳設計提供思路，有利于進一步提高螺旋槳的性能。文章進行了螺旋槳二維彈性剖面靜力學分析，進而對不同幾何復合材料槳葉的流固耦合作用特性做了數(shù)值計算比較研究，在此基礎上，通過與對應的剛性螺旋槳的比較計算分析，研究了在多工況下的復合材料螺旋槳水動力性能影響，探索了在來流變化過程中復合材料螺旋槳的振動性能。文中研究得出了一些有意義的結(jié)論，為復合材料螺旋槳設計及應用奠定了基礎。

復合材料螺旋槳；流固耦合；水動力效率；振動

1 引 言

在航空領(lǐng)域，復合材料飛機機翼通過氣動彈性剪裁設計可有效地改善飛行品質(zhì)，提高顫振速度，改善操縱品質(zhì)，減緩機動載荷，改善升阻比特性，以及極大地提高前掠翼機翼的發(fā)散速度，這種飛機結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計已經(jīng)工程實用化[1-2]。在船舶領(lǐng)域，歐共體多國的研究者在九十年代末期發(fā)起了船用復合材料螺旋槳的計劃，確認了該類螺旋槳巨大的商業(yè)價值，如德國A.I.R公司已有400多個該類型槳在游艇上被采用[3-4]；進入21世紀，英國科學技術(shù)組織QinetiQ歷時三年，成功設計、制造了一個直徑為2.9 m的復合材料船用螺旋槳，并取得了海上試驗成功[5]。美國海軍于2004年春季開始了一個三年的評估計劃，以正確評價與復合材料螺旋槳葉片有關(guān)的設計、生產(chǎn)和性能問題。目前據(jù)報道，德國針對某常規(guī)潛艇已開展了碳纖維復合材料實槳方案性能測試研究。

早期對復合材料螺旋槳流固耦合性能的研究是在1996年，Lin等[6-7]發(fā)展了考慮流固耦合的3D FEM/VLM方法，并用于螺旋槳水動力性能分析，隨后，Lin等[8]進一步完善計算方法，1997年研究了材料鋪層對水彈性性能影響[9]，2004年增加了遺傳算法，進行材料鋪層優(yōu)化設計[10]，2005年增加了應力評估和疲勞標準[11]。Lee12]也進行了類似的復合材料螺旋槳優(yōu)化設計。在以上研究中，僅限于定常情況下的槳葉變形分析，沒有計及流場非均勻性的影響。ONR最近也投資了三個項目進行了計算和試驗研究。Young等[13]和Chen等[14]于2006年進行了復合材料螺旋槳設計、試驗以及加工的初步研究，在他們的計算研究中考慮流固耦合特性以及非均勻伴流的影響，并進行了試驗驗證。Young等[15-16]采用面元法和有限元法分析了復合材料螺旋槳流固耦合特性，在假定的“十”字形非均勻尾流條件下，計算了槳葉振動特性，由模型試驗測試到了分析槳的振動頻率，其詳細數(shù)據(jù)尚未公開。Young等[17]還進行了復合材料的正交性對螺旋槳水彈性性能的影響研究。近兩年來，Motley等[18-19]針對復合材料節(jié)能性能做了分析研究，提出了基于性能的自適應復合材料螺旋槳設計概念。

本文首先進行了復合材料二維彈性剖面靜力學分析，然后采用流固耦合分析技術(shù)對不同槳葉幾何的流固耦合作用特性做了比較研究，最后通過與剛性螺旋槳性能的比較，對復合材料多工況水動力性能以及來流變化過程中復合材料螺旋槳的振動性能進行了初步研究，為復合材料螺旋槳設計與應用做了鋪墊。

2 復合材料螺旋槳二維彈性剖面模型

螺旋槳三維結(jié)構(gòu)幾何在對應外載荷作用下發(fā)生流固耦合變形，其變形規(guī)律可采用簡化的二維彈性剖面模型進行定性分析。為了提高空泡性能，船舶螺旋槳廣泛采用大盤面比槳葉，在簡化的二維剖面模型中除了攻角的變化，其翼型也發(fā)生變化，主要表現(xiàn)在剖面拱度的變化。

2.1 攻角

圖1為氣動彈性分析中的簡化二維機翼分析模型[20]，在彈性靜力學分析中有如下規(guī)律：

其中：θ為機翼彈性扭轉(zhuǎn)角；θr為攻角為α0條件下，不考慮剖面扭轉(zhuǎn)引起的附加氣動力作用下的機翼扭轉(zhuǎn)角；q為來流動壓，S為機翼面積，e為氣動中心與剛心的距離，剛心在氣動中心之后為正，CL為升力系數(shù)，Kθ為扭轉(zhuǎn)剛度，MA為繞氣動中心的力矩，即與攻角無關(guān)的力矩。彈性作用后的機翼攻角 α=α0+θ。

側(cè)斜螺旋槳根據(jù)側(cè)斜方向不同可分為：前側(cè)斜螺旋槳和后側(cè)斜螺旋槳。目前，船舶螺旋槳大多采用后側(cè)斜螺旋槳，對于前側(cè)斜螺旋槳也有學者研究其對梢渦空泡起始性能的影響[21]。

圖1 二維機翼彈性模型Fig.1 A hydroelastic model for a 2-D hydrofoil

2.2 翼型

對于大盤面比的復合材料船用螺旋槳葉片，在流固耦合作用下除了螺距角變化外，由于螺旋槳剖面結(jié)構(gòu)以及外載荷分布在弦向上的變化，使得剖面發(fā)生變形，如圖2所示，其中剖面拱度變化較大。一般由于隨邊厚度相對導邊較小，變形較大，這樣剖面拱度呈變小趨勢。

圖2 翼型的變化Fig.2 The change of profile

3 復合材料螺旋槳幾何參數(shù)比較分析

為研究復合材料螺旋槳不同弦長、厚度、側(cè)斜以及剖面葉型等參數(shù)對變形及水動力的影響，本文采用在文獻[22]中建立的流固耦合數(shù)值分析方法，選取直徑為0.88 m，縱傾為0的五葉螺旋槳進行計算分析。計算中選取的復合材料屬性來自文獻[23]中Soden（1998）針對AS4 Carbon/3501-6碳纖維復合材料的試驗數(shù)據(jù)，其參數(shù)如表1所示。復合材料螺旋槳鋪層均為[30/-30/90/-90/30]s的對稱鋪層方式，各槳工作條件為進速系數(shù)J=0.975，轉(zhuǎn)速N=970 r/min。

表1 AS4 Carbon/3501-6碳纖維復合材料屬性Tab.1 Material properties of AS4 Carbon/3501-6

3.1 弦長

螺旋槳弦長是決定螺旋槳盤面比的重要參數(shù)，弦長越大，盤面比越大，螺旋槳空泡性能越好，但是摩擦阻力增加，效率越低。弦長對于復合材料螺旋槳流固耦合性能的影響除改變水動力外載荷的分布外，也改變了結(jié)構(gòu)性能。

圖3為兩槳在未變形前的弦長分布（小弦長：C/D_1；大弦長：C/D_2），并保持其它參數(shù)，如厚度，螺距和側(cè)斜等不變。對兩只復合材料螺旋槳進行流固耦合分析，圖4為變形分布比較，可以看出：通過流固耦合作用后，兩槳最大變形比較接近，但是變形的分布有較大區(qū)別，大弦長螺旋槳的變形更集中在靠近梢部隨邊。圖5為兩槳在變形前后的水動力性能比較。兩槳在流固耦合相互作用下水動力負荷均減小，其主要原因是變形使得螺距和拱度減小。對于小弦長復合材料螺旋槳,變形使得推力和扭矩的減小量分別為11.3%和12.4%，效率增加了0.9%；大弦長螺旋槳推力和扭矩減小量分別為19.9%和20.2%，效率增加了0.2%。

圖3 不同螺旋槳弦長分布Fig.3 Different chord distribution of propeller

圖4 不同弦長復合材料螺旋槳變形圖（左：C/D_1；右：C/D_2）Fig.4 The comparison on deformation distribution of composite propeller(left:C/D_1;right:C/D_2)

上述比較分析表明：弦長變化，復合材料槳葉變形分布隨之變化，從而影響各剖面攻角及翼型的不同變化；弦長越長，變形越集中于梢部隨邊，從而帶來更大的水動力變化。

圖5 不同弦長復合材料螺旋槳變形前后水動力性能比較Fig.5 The comparison on hydrodynamic performance of undefromed and defromed composite propellers with different chordlength

3.2 側(cè)斜

螺旋槳側(cè)斜是改善螺旋槳性能的一個重要參數(shù)，特別是螺旋槳激振性能。對于復合材料螺旋槳，由于側(cè)斜分布會改變二維剖面模型剛心的位置，因此將對復合材料螺旋槳流固耦合性能產(chǎn)生顯著影響。

本文進行了無側(cè)斜復合材料螺旋槳與采用圖6中后側(cè)斜分布的復合材料螺旋槳流固耦合特性的比較計算分析。兩槳在其他參數(shù)，比如厚度，螺距和剖面等保持不變。圖7為變形分布比較，可以看出：通過流固耦合作用后，側(cè)斜槳最大變形為無側(cè)斜槳的1.98倍，而且兩者的變形分布明顯不同，側(cè)斜槳的變形量在外半徑區(qū)域的變化較大，使得外半徑的螺距和拱度變化更加明顯。兩槳變形后的螺距和拱度減小，而對于無側(cè)斜槳的減少量相對要小得多。

圖8為兩槳在變形前后的水動力變化情況，對于無側(cè)斜復合材料螺旋槳,變形使得推力和扭矩減小，減小量分別為2.4%和3.0%，效率增加了0.4%；后側(cè)斜螺旋槳推力和扭矩減小量較大，分別為13.8%和14.4%，效率增加了0.5%。上述比較分析表明：側(cè)斜變化，槳葉變形分布也隨之變化，不僅影響剖面攻角的變化，還會帶來剖面翼型的變化；相比無側(cè)斜槳，后側(cè)斜槳變形更集中于梢部隨邊，從而帶來更加明顯的水動力變化。

圖6 螺旋槳側(cè)斜分布Fig.6 The skew distribution of propeller

圖7 不同側(cè)斜復合材料螺旋槳變形比較（左圖：側(cè)斜為0°，右圖：側(cè)斜為25.4°）Fig.7 The comparison on deformation distribution of composite propeller(left:skew is 0°;right:skew is 25.4°)

3.3 剖面

螺旋槳剖面是改善螺旋槳性能，特別是空泡、噪聲性能的一個重要參數(shù)，復合材料螺旋槳剖面的變形將直接影響槳葉表面壓力及流動情況。

本文比較計算了采用常規(guī)的NACA剖面和由Eppler方法設計剖面的復合材料螺旋槳流固耦合特性。圖9表示NACA66mod+a=0.8以及 Eppler剖面的拱度和厚度分布。相對NACA剖面，Eppler剖面的最大厚度更靠近導邊，而最大拱度更靠近隨邊，使得槳葉負荷向隨邊區(qū)域轉(zhuǎn)移[24]。采用上述兩個剖面的復合材料螺旋槳保持其他參數(shù)，比如厚度，螺距和側(cè)斜等不變。對兩復合材料螺旋槳進行流固耦合分析，圖10為流固耦合迭代計算收斂后兩復合材料螺旋槳的變形分布，對變形圖的比較可以看出：通過流固耦合作用后，Eppler剖面螺旋槳的變形更大一些，其最大變形為NACA剖面螺旋槳最大變形的1.15倍，而且兩者表現(xiàn)不同的變形分布。由于Eppler剖面在隨邊區(qū)域厚度較薄，且載荷較大，槳葉的變形更集中于外半徑隨邊區(qū)域。

圖11分別為兩槳在變形前后的水動力變化情況，對于NACA剖面復合材料螺旋槳,變形使得推力和扭矩的減小量分別為6.9%和7.2%，效率增加了0.3%；Eppler剖面螺旋槳推力和扭矩的減小量分別為13.8%和14.4%，效率增加了0.5%，其推力和扭矩的變化量大于NACA剖面螺旋槳，這是由于變形使得螺距及拱度變化量均大于NACA剖面螺旋槳引起的。

圖8 不同側(cè)斜復合材料螺旋槳變形前后水動力性能比較Fig.8 The comparison on hydrodynamic performance of undefromed and defromed composite propellers with and without skew

圖9 槳葉剖面比較Fig.9 The comparison of thickness and camber distribution of balde section

圖10 不同剖面復合材料螺旋槳變形比較（左圖：NACA剖面螺旋槳；右圖：Eppler剖面螺旋槳）Fig.10 The comparison on deformation distribution of composite propeller(left:with NACA sections;right:with Eppler sections)

圖11 不同剖面復合材料螺旋槳變形前后水動力性能比較Fig.11 The comparison on hydrodynamic performance of undefromed and defromed composite propellers with different sections

以上比較分析說明：剖面翼型的變化一方面改變槳葉負荷分布，另一方面槳葉結(jié)構(gòu)也發(fā)生了變化，對于Eppler方法設計剖面，螺旋槳水動力負荷集中在靠近隨邊區(qū)域，而且由于隨邊厚度較NACA剖面螺旋槳更薄，使得螺距和拱度變化較大，從而水動力變化更為顯著。

4 復合材料螺旋槳性能研究

4.1 水動力性能

船舶常常工作在多個航速下，如圖12為某客船工作航速分布圖[25]。針對某一工作點設計的螺旋槳在其他工況下其推進性能將會發(fā)生變化，不能在整個服役航速中均達到最佳的性能。另一方面，螺旋槳設計師采用調(diào)距的形式進行多工況設計，在多工況下都有較好的工作性能。通過模擬調(diào)距槳的工作模式，復合材料螺旋槳具有自適應變形能力，在不同的載荷下將產(chǎn)生不同的變形，這為多工況下螺旋槳性能的提高提供了可能。

圖12 某客船工作航速分布圖Fig.12 The mission profile of a passenger ship

對采用圖6中的前側(cè)斜分布的五葉復合材料螺旋槳進行了不同工況下（進速系數(shù)J=1.1、1.2、1.3，轉(zhuǎn)速n=970 r/min）的水動力性能在變形前、變形后以及槳在J=1.3時變形槳葉作為剛性槳的計算，復合材料屬性見表1所示。

圖13為復合材料螺旋槳在各進速系數(shù)下流固耦合相互作用收斂后幾何，右圖給出了螺距分布變化。從圖中可以看出：復合材料螺旋槳在各進速系數(shù)下的變形均使得螺距變大，而且進速越小，負荷越大，變形量越大，螺距增加也越大。在外載荷作用下，前側(cè)斜螺旋槳變形分布表現(xiàn)為導邊的變形量大于隨邊的變形量，使得螺距增加，而且進速系數(shù)越小，導邊區(qū)域的負荷越大，導邊相對隨邊變形越大，螺距增加越大。

圖13 前側(cè)斜復合材料螺旋槳不同進速下的變形（左：三維變形；右：螺距分布變化）Fig.13 The deformation of a forward skew composite propeller(left:3-D deformation;right:pitch distribution difference)

圖14為本文計算的前側(cè)斜螺旋槳變形前后的水動力性能變化情況，圖中也給出了槳在J=1.3時變形槳葉作為剛性槳在其他進速系數(shù)下的計算結(jié)果。

相比未變形自然狀態(tài)的螺旋槳水動力性能，變形槳在進速系數(shù)下負荷均增加，而且進速系數(shù)越小，槳葉負荷越大，水動力的增加量越大，其中在J=1.3，推力增加量是21%，扭矩增加量是18.9%，到J=1.1時，推力增加量提高到27.9%，扭矩增加量提高到29.2%，變形改變了前側(cè)斜復合材料螺旋槳效率，在進速系數(shù)J=1.3時，變形使得效率增加1.3%。

圖14 前側(cè)斜復合材料螺旋槳水動力性能比較Fig.14 The comparison of hydrodynamic performance of a forward skew composite propeller

為了比較復合材料槳與剛性槳的水動力性能，圖11給出了復合材料槳與剛性槳在各進速系數(shù)下的水動力性能。由于在J=1.3時剛性槳與變形復合材料槳幾何一樣，因此推力及扭矩相同。當進速系數(shù)減小，由于復合材料螺旋槳相對變形量增加，因此推力、扭矩將大于剛性槳，而且進速越小，這種增加量越大，在進速系數(shù)為J=1.1時，復合材料螺旋槳的推力、扭矩分別比剛性槳大16.7%和17.7%。以上特性說明復合材料螺旋槳通過變形具有增加低速工況負荷的能力，因此可應用于導管槳以提高低速拖曳力及系泊推力。

4.2 振動性能

螺旋槳工作在船尾伴流場中，在運轉(zhuǎn)過程中由于來流的非均勻性，槳葉受力不斷地變化產(chǎn)生非定常力，并通過軸系傳到船體引起振動。對于復合材料螺旋槳，當來流變化時，變形量隨之變化，表現(xiàn)不一樣的受力特性，因此可通過精心設計復合材料螺旋槳達到改善螺旋槳振動性能。

對某六葉復合材料螺旋槳在三種不同來流進速（J=0.66，0.73，0.8，轉(zhuǎn)速n=780 r/min）的變形情況進行了水動力計算。圖15為三維變形分布及變形前后螺距分布。從圖中可以看出：復合材料螺旋槳在外載荷作用下發(fā)生了變形，但與圖13中前側(cè)斜螺旋槳不同的是變形后螺距變小，而且進速系數(shù)越小，螺距減小量越大,這說明當螺旋槳伴流增加（對應進速減?。r，螺距越小，相應的受力越小，與剛性螺旋槳相比，這種變形使得槳葉受力變化幅值呈減小的趨勢，從而可產(chǎn)生降低振動的效果。

圖15 不同來流（J=0.66，0.73，0.8）復合材料槳葉變形情況Fig.15 The deformation of a composite propeller blade under different inflow conditions(J=0.66,0.73,0.8)

圖16為該復合材料螺旋槳在各進速系數(shù)下的推力和扭矩變化情況，圖中還給出了采用對應各進速系數(shù)變形后復合材料螺旋槳幾何作為剛性螺旋槳的受力變化情況。從圖中可以看出，復合材料螺旋槳由于在各進速下變形量不同，使得復合材料螺旋槳相對剛性螺旋槳受力的變化梯度較小，這種自適應變形對推力和扭矩的變化有一個很好的緩沖作用，因此可提高復合材料螺旋槳的振動性能。

圖16 復合材料螺旋槳對應剛性螺旋槳準定常力比較（左圖：對應J=0.66剛性槳，中圖：對應J=0.73剛性槳，右圖對應J=0.8剛性槳）Fig.16 The comparison between a composite propeller and the corresponding rigid propellers(left:rigid propeller from J=0.66;middle:rigid propeller from J=0.73;right:rigid propeller from J=0.8)

5 結(jié) 論

（1）采用二維機翼彈性模型可以定性地分析復合材料螺旋槳流固耦合變形特性，由于槳葉盤面比一般較大，二維機翼模型中還需考慮翼型的變化。

（2）槳葉幾何對于復合材料螺旋槳流固耦合特性影響顯著，除了厚度，槳葉弦長、側(cè)斜以及葉剖面均會改變槳葉變形量及分布，從而影響水動力性能變化。本文的研究表明：弦長越長，變形越集中于槳葉外半徑隨邊區(qū)域，從而帶來更大的水動力變化；相比無側(cè)斜槳，后側(cè)斜槳變形更集中于外半徑隨邊區(qū)域，從而帶來更加明顯的水動力變化；采用Eppler方法設計剖面的復合材料螺旋槳，由于水動力負荷集中在靠近隨邊區(qū)域，而且由于隨邊厚度較NACA剖面復合材料螺旋槳更薄，使得螺距和拱度變化較大，從而水動力變化更為顯著。

（3）相比剛性螺旋槳，復合材料螺旋槳通過變形具有增加低速工況負荷能力，因此可應用于導管槳以提高低速拖曳力及系泊推力。

（4）復合材料螺旋槳由于變形量的相對變化，使得復合材料螺旋槳在來流變化時，其水動力變化比剛性螺旋槳小，這種自適應變形對螺旋槳推力和扭矩的變化有一個很好的緩沖作用，因此可應用于提高螺旋槳的振動性能。

本文開展的關(guān)于復合材料螺旋槳流固耦合性能的研究工作為后續(xù)的復合材料螺旋槳優(yōu)化設計與應用奠定了基礎。

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An investigation on performance of composite marine propellers based on Fluid and Structure Interaction

ZENG Zhi-bo,YAO Zhi-chong,WANG Wei-bo,DING En-bao

(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

Investigations of the characteristic of FSI should be carried out to explore clues to design composite propellers,which can further improve propeller performances.A two dimensional hydroelastic foil model of propeller was firstly analyzed and then the FSI characteristic of composite propellers with different geometries of blade was comparatively studied by calculation.The effect of deformation of composite propellers in multiple conditions on hydrodynamic performance was investigated and the performance of vibration of composite propellers under different inflows was also explored in comparison with rigid counterparts.Some valuable conclusions are obtained,which are the basis of design and application of composite propellers.

composite propellers;FSI(Fluid-Structure Interaction);hydrodynamic efficiency;vibration

U661.31

A

1007-7294（2011）11-1224-10

2011-07-11

江蘇省基礎研究計劃（自然科學基金）項目（BK2008118）

曾志波（1980-），男，中國船舶科學研究中心工程師，在職博士生。