抗空化扭曲舵的设计及其水动力性能分析

摘要/Abstract

摘要：

摘要：通过面元法计算螺旋桨尾流场，根据螺旋桨尾流场对扭曲舵各剖面的几何攻角进行设计，提出了抗空化扭曲舵的设计方法；采用计算流体动力学方法评价舵的水动力性能，并经过拖曳水池的舵力测量试验加以验证.结果表明，在不同的航速和舵角条件下，与普通舵相比，扭曲舵的负压力系数峰值明显较小，从而大幅提高了舵的抗空化性能，降低了舵的空化剥蚀和由舵产生空泡所引起的振动噪声.由于扭曲舵与螺旋桨的尾流匹配良好，在舵角为0°时，扭曲舵叶背的压力系数分布与叶面的压力系数分布基本重合，因而显著减小了直航时舵上的横向力和舵轴力矩，有利于舵和舵机的受力.

关键词: 螺旋桨, 扭曲舵, 空化, 尾流场, 压力分布

Abstract:

Abstract： The propeller wake is calculated by a surface panel method, and then the attack angle of the twisted rudder can be designed through the propeller wake. An approach of anticavitation twisted rudder is proposed. The hydrodynamic performance of rudder after propeller is calculated by a computational fluid dynamics (CFD) method, and it is validated by the rudder force tests. The pressure distributions of the twisted and ordinary rudders are compared with each other. The peak of negative pressure on the twisted rudder is smaller than that of the ordinary rudder. The twisted rudder has a better anticavitation performance and can reduce cavitation erosion，vibration and noise. Because the twisted rudder has better match performance for the propeller wake than the ordinary rudder, it has lower cross force and torque than the ordinary rudder when the rudder angle is zero. The fact is favorable to rudder and steering engine.

Key words: propeller, twisted rudder, cavitation, wake field, pressure distribution

中图分类号:

U 661.4

叶金铭，王威，于安斌，张凯奇. 抗空化扭曲舵的设计及其水动力性能分析[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(3): 314-.

YE Jinming,WANG Wei,YU Anbin,ZHANG Kaiqi. Design and Numerical Analysis of Hydrodynamic Performance for #br# AntiCavitation Twisted Rudder[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University, 2017, 51(3): 314-.

参考文献

［1］董国祥. 助推节能扭曲舵性能的理论预报［J］. 船舶, 1994(6)：5863.
［2］徐一军. 扭曲反应舵节能功效的可行性探讨［J］. 船舶设计通讯, 2010(S2)：2124.
XU Yijun. Feasibility discussion on energy saving efficiency of twisted rudder［J］. Journal of Ship Design, 2010(S2):2124.
［3］WANG C, HE M, WANG G L, et al. Design and performance analysis of twisted rudder based on the maximum reduction of rudder resistance ［J］. Journal of Ship Mechanics, 2014, 18(3): 238247.
［4］郭春雨,赵庆新,吴铁成,等. 船舶附加水动力组合节能技术研究进展［J］. 舰船科学技术,2014,36（4）：110.
GUO Chunyu, ZHAO Qingxin, WU Tiecheng, et al. Research and development of marine hydrodynamic compounded energysaving［J］. Ship Science and Technology, 2014, 36(4):110.
［5］齐博慧. 扭曲舵水动力性能研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工程大学船舶工程学院，2010.
［6］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.无锡:中国造船工程学会船舶力学委员会，2011.
［7］付翯翯, 邹早建. 螺旋桨扭曲舵系统水动力性能数值预报［J］. 船海工程, 2016, 45(3): 2125.
FU Hehe, ZOU Zaojian. Numerical prediction of the Hydrodynamic performance of a propellertwisted rudder system［J］. Ship & Ocean Engineering, 2016, 45(3): 2125.
［8］付翯翯, 邹早建. 带扭曲舵船舶自航因子数值预报［J］. 水动力学研究与进展A辑，2016, 31(4): 409415.
FU Hehe, ZOU Zaojian. Numerical prediction of the selfpropulsion factors for a ship with twisted rudder［J］. Chinese Journal of Hydrodynamics (A), 2016, 31(4): 409415.
［9］SHEN Y T, JIANG C W, REMMERS K D. A twisted rudder for reduced cavitation［J］. Journal of Ship Research, 1997, 41(4): 260272.
［10］KOOP A H, HOIEJMAKERS H W, SCHNERR G H, et al. Design of twisted cavitating hydrofoil using barotropic flow method［C］∥Sixth International Symposium on Cavitation. Wageningen, Netherlands: CAV, 2006.
［11］汤正兵. 特殊升力面水动力特性的计算研究［D］. 武汉：海军工程大学船舶与动力学院，2005.
［12］KERWIN J E, LEE C S. Prediction of steady and unsteady marine propeller performance by numerical lifting surface theory［J］. Trans SNAME, 1978, 86.
［13］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. 哈尔滨: 中国造船工程学会船舶力学委员会，2015.
［14］叶金铭，王威，张凯奇，等. 扭曲舵空化起始航速分析［J］. 哈尔滨工程大学学报，2016，37（12）：1517.
YE Jinming, WANG Wei, ZHANG Kaiqi, et al. Analysis on the cavitation inception speed of twisted rudder［J］. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(12):1517.
［15］王威，叶金铭. 扭曲舵水动力数值计算和自航约束模试验测量研究［J］. 船舶力学，2016，20（11）：8793.
WANG Wei, YE Jinming. Study on numerical calculation and selfpropulsion test of twisted rudder［J］. Journal of Ship Mechanics, 2016, 209(11): 8793.

[1]	秦广菲, 姚慧岚, 张怀新. 螺旋桨脉动压力作用下自航船舶艉部振动数值研究[J]. 上海交通大学学报, 2022, 56(9): 1148-1158.
[2]	刘恒, 伍锐, 孙硕. 非均匀流场螺旋桨空泡数值模拟[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(8): 976-983.
[3]	吴利红, 封锡盛, 叶作霖, 李一平. 自主水下机器人强制自航下潜的类物理模拟[J]. 上海交通大学学报, 2021, 55(3): 290-296.
[4]	张宇, 王晓亮. 基于径向点插值方法的柔性螺旋桨气动弹性模拟[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(9): 924-934.
[5]	徐野, 熊鹰, 黄政. 双桨船螺旋桨空泡脉动压力的试验及数值研究[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(8): 831-838.
[6]	牟介刚, 章子成, 谷云庆, 施郑赞, 郑水华. 圆形非光滑表面叶片对离心泵空化特性的影响[J]. 上海交通大学学报, 2020, 54(6): 577-583.
[7]	李清，于汉，杨德庆. 多类振动噪声源下舰船水下噪声的耦合声场计算方法[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2019, 53(2): 161-169.
[8]	黄福祥, 吴昌楠, 李想, 李新飞, 李隶辉, 阴炳钢. 动力定位船桨-桨干扰建模及分析[J]. 海洋工程装备与技术, 2019, 6(2): 536-543.
[9]	姚慧岚, 张怀新. 较低雷诺数下ITTC尺度效应换算方法的改进[J]. 上海交通大学学报, 2019, 53(1): 35-41.
[10]	傅慧萍a,b，李杰a. 轻载下的螺旋桨空化流场数值模拟[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2018, 52(6): 631-635.
[11]	赵大刚1，郭春雨1，苏玉民1，豆鹏飞2，景涛1，张海鹏1. L型吊舱推进器直航及操舵工况水动力性能试验研究[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(7): 812-818.
[12]	杨笑，彭旭东，孟祥铠，王玉明. 端面倾斜对粗糙表面机械密封性能的影响[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(6): 748-755.
[13]	刘辉1,2，冯榆坤1,2，陈作钢1,2,3，代燚1,2,3，田喜民1,4. 船舶艏侧推器脉动压力数值计算[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(3): 294-.
[14]	刘芬，陈丽,段登平. 多螺旋桨浮空器的抗饱和控制器设计[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(2): 157-.
[15]	李懿霖,宋保维. 空化器直径对超空泡航行器空泡性能的影响[J]. 上海交通大学学报（自然版）, 2017, 51(12): 1488-1492.