厚度比与翼型对船用舵选型的影响.pdf

第 卷 第 期江苏船舶.年 月.厚度比与翼型对船用舵选型的影响杨雨庚罗治高夏玉涛祝圆圆(上海船舶研究设计院上海)摘 要:为得到某 散货船的最佳舵选型应用 软件 对、这 种翼型在 种厚度比情况下进行数值模拟并分析舵叶在不同翼型、不同厚度比时的水动力性能 结果表明:舵的厚度比对其小舵角水动力性能影响不大但舵厚度比和翼型对其失速角和大舵角下的水动力性能有明显影响增大舵叶厚度比可有效改善舵叶升力性能但会导致阻力性能下降通过数值计算得到的最佳舵型目前已应用于实际生产中关键词:舵选型水动力性能厚度比翼型中图分类号:.文献标志码:./.引言舵是最常用的船舶操纵设备在实际设计过程中常用规范计算法计算其水动力性能 该方法在保证提供足够升力的同时能够满足强度要求但规范计算法未考虑不同厚度比对舵阻力的影响 为减小舵阻力一般采取降低厚度比的措施但此方法压缩了舵杆的布置空间对舵杆的设计提出了更高的要求因此定量探究厚度比对舵效的影响十分重要李邦华等将预报值与模型试验结果进行对比得到更好的湍流模型和边界层厚度 杨洋等采用雷诺平均纳维斯托克斯方程(方程)研究襟翼舵主副舵间间隙大小和尺度效应对其水动力性能的影响 付翯翯基于 方程通过不同系统水动力计算验证扭曲舵的节能效果 周广礼等通过简化半悬挂舵水动力计算方法提高了半悬挂舵舵力估算效率 林友红通过比较半悬挂舵与梯形舵水动力性能来证明弦长法可预估半悬挂舵阻 力 与 升 力 等采 用 计 算 流 体 力 学()方法验证 型扭曲舵能够提升推进效率、节能效果本文以某 散货船为研究对象定量分析厚度比及翼型对于舵效的影响从而确定该船的最佳舵型 数值方法本计算中设定舵随船舶以恒定速度 向前运收稿日期:作者简介:杨雨庚()男硕士助理工程师主要从事船舶舾装研究动 进行数值模拟时固定舵不动使流体以 的恒定速度流动从而模拟舵在流体中的运动 假定流体黏性不可压满足不可压缩流体控制方程(方程)即满足以下连续方程和动量守恒方程:()连续方程()()动量守恒方程()()()()()()()()()()式()式()中:为流体微元受到的压力、和 为流体间黏性作用产生的微元体表面的剪切力、为速度 的三向分量 为密度 为重力加速度本文基于 方程对不同厚度比、不同翼型的舵的阻力及升力进行计算离散方式采用有限体积法 此外湍流模型的选取对数值模拟结果具有较大影响不同的湍流模型在模拟流场时会产生不同的效果 本文采取 模型该模型适用于各种类型的流动模拟具有较高的可信度 第 期杨雨庚等:厚度比与翼型对船用舵选型的影响 模型建立.舵模型为探索不同厚度比及翼型对于舵水动力性能的影响采用.软件分别建立了 个不同厚度比(/)的 舵及 种翼型的舵模型(、)模型缩尺比 建模过程中保证所有模型舵面侧投影的一致性 建立舵几何模型见图 舵型一般记为:后四位数字中前两位代表拱度比对称剖面记为 后两位表示厚度比 如:表示厚度比为的对称型 剖面图 舵几何模型.计算域及边界条件在计算舵水动力性能时流动采用定常流动计算域设置为长方体入口边界条件为速度进口距离舵 前 端 约 倍 弦 长 的 距 离 流 动 速 度 设 为./出口设置为压力出口距舵尾约 倍弦长的距离其余边界均设置为对称边界条件距舵面约 倍弦长的距离 因此计算域大小为.由于靠近舵的地方流场复杂可对舵附近网格加密远离舵的计算域流场变化不剧烈可适当减少网格数量.网格收敛性一般网格数量越多计算结果越精确然而计算效率会大幅下降 在网格数量达到一定数量后即使网格数量增加计算精度也难有明显提高 因此有必要对比不同网格尺寸下的模型计算结果验证网格无关性验证网格无关性时使用 翼型在舵角下的算例进行验证 在不改变网格结构的情况下采用、套网格分别进行计算计算结果见表 表 不同网格数量下 的水动力性能网格网格数量升力值/阻力值/阻力系数升力系数阻力变化量/升力变化量/.由表 可知网格数量超过 万后提高网格数量对计算结果影响不明显 综合考虑结果精度及计算时间等因素选用 万数量的网格排除网格数量对计算结果的影响计算结果.厚度比对 翼型的影响 系列舵在不同厚度比下的水动力性能见图 从图 可知、的阻力系数较为接近而 在舵角大于时阻力相较于其他厚度比的 舵增幅明显 系列舵整体上呈现厚度比增大阻力系数增加的趋势 该系列舵的升力系数在小舵角时较为接近舵角之后差距逐渐增大这主要是不同失速角导致 的失速角出现在 左右且 系列舵随着厚度比的增大失速角逐渐增大升力系数增加最大升力随之增大 相邻厚度比最大升力变化幅度为.图 系列舵在不同厚度比下的水动力性能.厚度比对 翼型的影响 翼型的计算结果与 类似 系列舵在不同厚度比下的水动力性能见图 由 图 可 知 、江 苏 船 舶第 卷 在各个舵角下阻力性能相近而 在 舵角后与其他厚度比的舵相比产生明显差距阻力系数与 最大相差.从升力系数看 翼型升力在小舵角时较为接近而在大于 舵角时开始产生差距且厚度比越小失速角越小 失速角在 左右出现 同时随着厚度比增加升力系数增加升力有所改善 相邻厚度比最大升力变化幅度为.图 系列舵在不同厚度比下的水动力性能.厚度比对 翼型的影响 翼型与其他两种翼型不同 系列舵在不同厚度比下的水动力性能见图 由图 可知系列舵的角度较小时阻力系数由小到大分别为 、及而大角度情况下阻力系数由小到大顺 序 为、及 在 阻力系数较其他两种厚度比有明显增大最大差距为.图 系列舵在不同厚度比下的水动力性能 升力系数与其他 种翼型类似 随着升力系数增加失速角增大同时最大升力随之增大 失速角在 左右出现相邻厚度比最大升力变化幅度为.相同厚度比不同翼型水动力性能对比通过观察不同翼型在相同厚度比情况下的升力、阻力能够更好地比较不同翼型间水动力性能的差别 由图 可知厚度比为 时阻力性能从优到劣依次为、升力性能从优到劣依次为 、图 不同翼型在厚度比为 时的水动力性能 试验结果分析与比较.不同厚度比下舵叶水动力性能的比较及分析翼型与厚度比对于不同舵角下的水动力性能的影响不尽相同 在小舵角情况下厚度比对于舵叶的阻力与升力影响较小 随着舵角的增大较大的厚度比会使得舵叶受到更大的阻力和升力 由 种翼型的舵叶周围速度场可以发现不同厚度比的舵叶迎流面处的流场区别不大较为稳定 而舵叶背流面周围的流场随着舵角的增大变化剧烈 舵叶厚度比越小流动分离现象越明显 在小厚度比的情况下 型式的舵叶背流面产生了一定量的回流而 和 的舵叶背流面产生了较为强烈的涡导致背流面压力增大使得舵面两侧压差减小最后使得小厚度比的舵叶在大舵角情况下所受到的阻力和升力相较于大厚度比舵叶均有大幅度的下降.不同翼型舵叶水动力性能的比较及分析在小舵角情况下舵叶翼型对流场造成的影响并不明显 种翼型在小舵角的情况下周围流场较为相似 而在大舵角情况下 周围流场的变化相较于 系列和 系列更为 第 期杨雨庚等:厚度比与翼型对船用舵选型的影响 剧烈流动分离现象明显产生了较为明显的涡对背流面产生了更大的压力同时减少了舵面受到的压力从而使得 的升力性能下降明显而 系列和 的速度场在较大厚度比的情况下流场分布类似使得两者的阻力和升力较为接近 但在小厚度比的情况下 翼型相较于 其舵后流场分布更为均匀 某散货船舵的选取由上述分析可知相邻 的厚度比之间阻力系数升幅最大为 与 之间的.升 力 系 数 升 幅 最 大 为 与之间的.因此在常用厚度比即小于 的情况下改变厚度比对舵升力的影响更为明显在实际工程中一般情况下会通过降低厚度比的方式以达到减阻的效果此时厚度比变化范围一般在 左右且不超过 通过计算表明该方案效果并不明显 从湿表面积角度考虑减少舵的阻力对船舶减阻贡献较小相反降低厚度比会减少舵提供的最大升力在大舵角情况下尤其明显同时会令失速角下降导致无法满足回转要求 此外降低舵厚度比令舵剖面最大厚度减小以压缩舵杆空间、降低安全系数并提高施工难度可能会导致舵杆断裂事故的发生 因此盲目降低舵的厚度比可能会影响船舶航行时的安全性及操纵性本文采用的、是船舶设计中最常用的翼型 从上文图中可知 种舵型在设计航速下仅从阻力或升力的表现无法决定舵的选型因此考虑升阻比(升力与阻力的比值)能更好地评判舵的水动力性能 表 表 为不同翼型在不同厚度比时的升阻比由表 表 可知 种翼型升阻比在 时较为接近 系列舵的升阻比略优于其他的系列舵在大舵角情况下 系列舵相对而言优势明显综合考虑舵失速角、最大升阻力、升阻比、安全方面等因素舵的厚度比既不能过小也不能过大 翼型升力性能较差故不考虑 和 各有优劣 能够提供更大升力而 操纵性能更好 从施工难度、成本、对舵杆设计的影响等角度考虑选择 翼型作为该型散货船舵的首选翼型厚度比取 即 表 翼型厚度比对升阻比的影响舵角/()升阻比.表 翼型厚度比对于升阻比的影响舵角/()升阻比.表 翼型厚度比对于升阻比的影响舵角/()升阻比.结论()厚度比对在敞水中舵的性能的影响较小尤其是对阻力性能而对失速角及升力性能影响相对明显()在船用舵厚度比选取范围内很难通过厚度比的改变明显提升舵的水动力性能而过大或过小的厚度比均会造成不利影响()在本文选定航速情况下 翼型水动力性能最差而 和 性能接近且各有优劣最终综合各方面因素选用 作为某 散货船舵参考文献:李邦华 黎峰 晋文菊 等.边界层网格尺度对高效舵水动力数值计算的影响.舰船科学技术 ():.李邦华 蒋曙晖 赵耀中 等.不同湍流模型在高效舵水动力计算中的适用性分析.船海工程 ():.杨洋 王支林 耿建明.基于 仿真计算的襟翼舵水动力研究.舰船科学技术 ():.付翯翯.扭曲舵节能效果数值研究.上海:上海交通大学.周广礼 董文才 姚朝帮.半悬挂舵敞水水动力性能数值计算方法研究/中国造船工程学会 年船舶水动力学学术会议论文集.北京:中国造船工程学会.林友红.半悬挂舵的敞水水动力性能与舵力预估方法研究.舰船电子工程 ():.():.姚仁太 郭栋鹏.计算流体力学基础与 工程应用.北京:国防工业出版社.