王 威，葉金銘

（海軍工程大學 艦船工程系，武漢430033）

扭曲舵水動力數(shù)值計算和自航約束模試驗測量研究

王 威，葉金銘

（海軍工程大學 艦船工程系，武漢430033）

建立了槳后舵水動力的CFD數(shù)值計算方法，對兩種舵的壓力分布和舵力進行了比較，結果顯示扭曲舵可以明顯減小0°舵角時舵上的橫向力和舵軸扭矩。在拖曳水池中進行了自航約束模舵力測量試驗，對扭曲舵和普通舵的舵力進行了測量，試驗結果也表明，在0°舵角時，扭曲舵上的受力狀態(tài)得到明顯改善。將舵力的數(shù)值計算結果與試驗結果進行比較，兩者有較好的一致性，說明建立的數(shù)值計算方法可以對槳后舵舵力進行較好的模擬計算。

扭曲舵；螺旋槳；三分力；自航試驗

0 引 言

普通舵位于螺旋槳后面，舵面呈對稱形式，未考慮到螺旋槳引起的旋轉尾流，螺旋槳尾流的能量未能充分利用，還會導致產(chǎn)生比較嚴重的空泡現(xiàn)象，引起舵面空化剝蝕，空化后舵效也會明顯降低，另外，舵的空化還會產(chǎn)生較大的噪音，引起舵和尾部結構振動等一系列不利影響，因此研究提高舵的抗空化性能，對提高舵效和操縱性、抑制空化剝蝕、降低舵引起的振動和噪音是非常必要的。最早提出扭曲舵思想的是Tutin，其基本思想是充分利用螺旋槳尾流的能量，提高推進效率。現(xiàn)在國內對扭曲舵在節(jié)能增效方面的研究進行得較多。董國祥[1]用升力面方法計算了扭曲舵的水動力性能，徐一軍對扭曲舵的節(jié)能可行性進行行了探討[2]，黃勝、郭春雨、王超等人[3-6]采用面元法計算槳后扭曲舵的水動力性能，助推效率可以達到3%，劉登成等[7]用CFD方法對不同扭曲舵設計方案的節(jié)能效果進行了計算比較。根據(jù)螺旋槳尾流場特點將舵設計成扭曲舵可以有效解決舵上的空化剝蝕問題[8]，美國海軍科學辦公室在大型空泡筒中對扭曲舵與普通舵模型進行了對比實驗，模擬船舶伴流、船槳干擾以及給予模型較高的流速使其獲得高雷諾數(shù)。通過實驗發(fā)現(xiàn)扭曲舵的水動力性能和常規(guī)舵相比有明顯的提高，扭曲舵比常規(guī)舵更不易發(fā)生空泡剝蝕，扭曲舵對于補償由推進器與船體引起的來流攻角非常有效[9-10]，同時，其升力性能并不亞于常規(guī)舵。目前這種扭曲舵已經(jīng)用于阿利伯克級導彈驅逐艦的至少三艘艦艇上（DDG84，DDG104，DDG108），如圖1所示，使用后證實這種舵能有效降低舵上的空化剝蝕和激振力，國內湯正兵、朱軍將螺旋槳的影響假設成具有一定攻角的來流，簡單預估了扭曲舵的空泡起始航速，但總的來說，國內在扭曲舵節(jié)能增效方面研究得較多，而在扭曲舵抗空化方面研究得較少。葉金銘等人[11]對抗空化扭曲舵進行了設計，并對普通舵和扭曲舵在不同工況、不同舵角條件下的壓力分布進行了計算比較。比較結果顯示，扭曲舵的負壓力峰值比普通舵明顯小，可以大幅提高舵的抗空化性能。

本文主要從操縱性的角度對舵水動力進行數(shù)值計算，并在拖曳水池中進行了自航約束模試驗，對普通懸掛舵和扭曲舵的舵力進行了測量，將舵力的計算結果與試驗結果進行比較，旨在通過數(shù)值和試驗測量的方法，分析扭曲舵的舵力特性，從而研究扭曲舵的受力狀態(tài)以及對操縱性能的影響。

1 舵水動力數(shù)值計算研究

1.1 扭曲舵的設計

研究對象為某水面船，該船雙槳雙舵，船模水線長為4.712 m，對應實船設計航速船模速度為2.739m/s，螺旋槳為五葉槳，螺旋槳轉速為1 070 rpm。

通過面元法計算出螺旋槳后不同盤面半徑處的流體速度，再通過線性插值的方法，可以得到舵面上不同展向位置的橫向速度，通過不同展向位置的橫向速度與軸向速度便得到扭曲舵的扭曲角度。通過這種方法對某型船的舵進行設計，設計扭曲舵時，舵的弦長與安裝位置均不改變，只改變舵面上不同展向位置的扭曲角度。

用面元法計算得到的某型船螺旋槳后在舵軸盤面處各半徑的流體速度，通過插值方法得到不同展長位置的橫向速度，通過橫向速度可以得到扭曲舵的扭曲角度，設計扭曲舵三維視圖如圖1所示。

表1 計算工況Tab.1 The calculation condition

圖1 扭曲舵扭曲角度分布及三維圖形Fig.1 The twisted angle distribution and 3D graphic of twisted rudder

1.2計算建模方法和計算工況

建立某型船模型尺度下螺旋槳和舵的整體計算模型，為了使網(wǎng)格數(shù)量較少，同時又保證網(wǎng)格質量和計算精度，采用結構網(wǎng)格和非結構混合型網(wǎng)格劃分方法，在螺旋槳附近的區(qū)域內采用非結構網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分較密，而在其他區(qū)域采用網(wǎng)格質量很高的結構網(wǎng)格，整個計算域分為靜止部分和旋轉部分，兩個部分都有自己獨立的網(wǎng)格形式和分界面（如圖2），整個計算網(wǎng)格數(shù)為810萬，采用k-ωSST湍流模型。

圖2 計算網(wǎng)格劃分情況Fig.2 The calculationmesh

1.3 壓力分布計算結果及分析

對普通舵和扭曲舵的在不同工況、不同舵角條件下的壓力分布進行了比較。在Vm=2.739m/s，nm= 1 070 rpm工況條件下，兩種舵面在各展向位置舵剖面壓力分布如圖3所示。

圖3 兩種舵壓力分布比較Fig.3 The pressure comparison of two rudders

從壓力分布的比較結果可以看出，扭曲舵在不同航速不同舵角下負壓力峰值均比普通舵明顯減小，這說明扭曲舵可以有效抑制舵空化，提高舵上的空化起始航速。

另外，在各航速工況下，0°舵角時，普通舵葉背壓力比葉面壓力明顯低，而扭曲舵葉背壓力分布基本上與葉面壓力分布重合，壓力成對稱分布，這種特點不僅使得扭曲舵的負壓力峰值明顯減小，而且會使艦船直航時扭曲舵上的橫向力和舵軸力矩也會比普通舵小很多，舵橫向力和舵軸力矩的計算結果見表2，從表中可以看出在舵角為0°時，扭曲多舵軸上的橫向力和舵軸力矩比普通舵小得多，基本上小一個數(shù)量級，而且只要進一步對扭曲舵進行改進設計即可以使得0°舵角時扭曲舵上的橫向力和舵軸扭矩基本為零，由于艦船航行時直航是主要工作狀態(tài)，扭曲舵的這種受力特性對舵的受力和舵機的負荷是有利的。

2 自航約束模舵力測量試驗

2.1 試驗基本情況

為了驗證扭曲舵對舵橫向力和舵軸的改善效果，在華中科技大學拖曳水池中進行了約束模自航航舵力測量試驗，比較分析扭曲舵和普通舵的舵力特性。

試驗對象為前文所述的水面船，試驗在華中科技大學船模試驗水池進行。該水池是國際船模水池會議I.T.T.C的正式成員單位，水池尺度為：長×寬×深=175×6×4（m）。

采用三分力測力傳感器對舵力進行測量，可以測量舵的縱向力Fx，橫向力Fz以及舵軸扭矩My。圖4和圖6分別為普通舵和扭曲舵安裝圖；圖5和圖7分別表示普通舵和扭曲舵在不同舵角時的船尾流場。

2.2 試驗步驟

試驗前在拖車上固定好船模，保證船模沒有縱傾和橫傾。

2.2.1 普通舵舵力測量試驗步驟

（1）打開舵力測量記錄軟件，開始記錄；

（2）啟動全數(shù)字化測控系統(tǒng)，調整螺旋槳轉速雙車至1 070 rpm，操舵角為0°；

（3）開動拖車速度至2.739m/s，保持拖車速度穩(wěn)定至試驗結束；

（4）拖車回到出發(fā)點，重復步驟（1）、（2）、（3）4至5次；

表2 普通舵和扭曲舵橫向力及舵軸力矩比較Tab.2 Force comparison of two rudders

圖4 普通舵安裝圖Fig.4 The ordinary rudder at ship model

圖5 普通舵不同舵角時船尾流場Fig.5 Thewake behind ship mode at different rudder angles of ordinary rudder

2.2.2 扭曲舵舵力測量試驗步驟

普通舵舵力測量完成后，吊裝船模，更換普通舵為扭曲舵，重新在拖車上固定好船模，進行舵力測量試驗，試驗步驟與普通舵完全相同。

圖6 扭曲舵安裝圖Fig.6 The installation of twisted rudder

圖7 扭曲舵不同舵角時船尾流場Fig.7 Thewake behind ship mode at different rudder angles of twisted rudder

3 試驗結果及分析

3.1 試驗結果

試驗測量后，對每次的測試結果進行分析，剔除不正常的測量結果，然后將正常的測量結果進行平均處理，普通舵和扭曲舵在0°舵角時測量結果見表3，表中Fx為軸向力，F(xiàn)z為橫向力，My為舵軸力矩。

表3 0°舵角時舵力測量結果Tab.3 The test results of three-com ponent force at 0°rudder angle of the ordinary rudder

圖8 普通舵和扭曲舵0°舵角下舵力測量比較結果Fig.8 The comparison of rudder force test results at0°angle between the ordinary rudder and the twisted rudder

從表2可以看出，在0°舵角時，普通舵上的橫向力分別為-5.26 N（左舵）和6.53 N（右舵），扭曲舵上的橫向力分別為-0.5 N（左舵）和-0.28 N（右舵），扭曲舵上的橫向力明顯比普通舵?。黄胀ǘ娑孑S力矩分別為-20.35 Ncm（左舵）和15.21 Ncm（右舵），扣除漂移后扭曲舵的舵軸力矩分別為-3.02 Ncm（左舵）和2.27 Ncm（右舵），因此扭曲舵舵軸上的力矩也比普通舵明顯小。這說明在0°舵角時，扭曲舵上的受力狀態(tài)得到明顯改善，對舵機也是有利的。

將舵力試驗測量結果與計算結果進行比較，結果如圖8所示。從圖8可以看出，舵力的計算結果與試驗測量結果一致性較好，這說明本文建立的計算方法能夠對槳后舵的舵力進行較好的計算。

3.2 回轉運動時飄角影響分析

在拖曳水池中進行的約束模試驗時無法考慮飄角的影響，但結合作者在操縱水池中進行的操縱性自航試驗結果可以對飄角的影響進行初步分析。操縱性試驗結果表明，在各種舵角下，兩種舵的回轉半徑非常接近，相差很小。因此可以認為在各舵角下，安裝扭曲舵與普通舵引起艦船飄角是基本相同的。由于兩種舵引起的飄角相當，因此在各種舵角下普通舵左舵來流和扭曲舵左舵來流的方向基本一致，普通舵右舵來流和扭曲舵右舵來流的方向也基本一致，也就是，扭曲舵和普通舵對艦船的回轉性能的影響是基本相同的，引起的飄角也基本相同。

但由于螺旋槳尾流的旋轉分量的存在，且左右槳反向旋轉，所以螺旋槳在左右舵處引起的橫向速度剛好相反，使得左右舵來流方向不一致。

由于普通舵左右舵幾何攻角一致，在各展向位置，普通舵左舵和右舵的水動力攻角不一致，左右舵的舵力不一致，一個較大，一個較小。如果采用扭曲舵，在各展向位置，左右槳引起的斜流角與扭曲舵的扭曲角基本是相同的。因此，考慮了飄角、螺旋槳旋轉尾流以及舵剖面扭曲角的影響后，在同樣的展向位置，扭曲舵左右舵的水動力攻角基本相當，即使有差別，也會比普通舵左右舵的要小得多，水動力攻角介于普通舵左舵水動力攻角和右舵水動力攻角之間，所以扭曲舵左右舵上的舵力也更為接近，大小介于普通舵左舵舵力和右舵舵力之間，而扭曲舵左右兩舵舵力之和與普通舵左右兩舵舵力之和基本相同。所以考慮了飄角以后，在操相同舵角時，扭曲舵左右兩舵舵力大小仍然在普通舵左右舵舵力大小之間，舵的受力狀態(tài)得到改善。

4 結 語

本文建立了槳后舵水動力的數(shù)值計算方法，結果顯示，0°舵角時普通舵葉背壓力比葉面壓力明顯低，而扭曲舵葉背壓力分布基本上與葉面壓力分布重合，這種特點不僅使得扭曲舵的負壓力峰值明顯減小，而且會使艦船直航時舵上的橫向力和舵軸扭矩也會比普通舵小很多。

在拖曳水池中進行了直航約束模舵力測量試驗，對普通懸掛舵和扭曲舵的舵力進行了測量，比較分析了扭曲舵和普通舵的舵力特性，試驗也結果證明，在0°舵角時，扭曲舵上的橫向力和舵軸上的扭矩明顯減小，扭曲舵上的受力狀態(tài)得到明顯改善，對舵機是有利的。將舵力的計算結果與試驗結果進行了比較，兩者有較好的一種性，這說明建立的數(shù)值方法能夠對舵力進行較好的模擬計算。

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[9]葉金銘,王 威,李 淵.抗空化扭曲舵設計及力學特性研究[C]//2015年船舶水動力學會議.中國哈爾濱,2015.

Study on numerical calculation and self-propulsion test of twisted rudder

WANGWei,YE Jin-ming
(Departmentof Naval Architecture,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

In order to study on the force characteristics,a CFD calculation method of the hydrodynamic of propeller and rudder is set up.The pressure distribution and the force of the twisted and ordinary rudders are compared with each other.It is indicated that the twisted rudder hasmuch lower cross force and torque than the ordinary rudder when the rudder angle is zero,which is favorable to rudder and steering engine.A self-propulsion testof twisted rudder is done in the towing tank.The three-component forces of twisted rudder and ordinary rudder aremeasured and compared with each other.The test results show that the cross force on the twisted rudder ismuch smaller than the ordinary rudder at 0°rudder angle.It is favorable for rudder force state.The calculation results of rudder force are compared with the test data,and they agree wellwith each other.The results show that the calculation method can predict the hydrodynamic performance of rudder behind propeller.

twisted rudder;propeller;three-component force;self-propulsion test

U661.3

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2017.01.006

2016-10-07

國家自然科學基金資助（51579243）

王 威（1963-），男，教授，E-mail：wv600@126.com；

葉金銘（1978-），男，副教授，通訊作者，E-mail：yjmcx2318@sohu.com。

1007-7294（2017）01-0045-07