一体化桨舵装置造型设计及水动力计算方法研究

杨 震，陈如星，肖能齐，周瑞平

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)



一体化桨舵装置造型设计及水动力计算方法研究

杨 震，陈如星，肖能齐，周瑞平

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

摘 要：以一体化桨舵装置为分析对象，详细论述了该装置的造型设计及水动力计算方法。通过MATLAB计算模型的空间坐标，实现模型的建立及运动学仿真。基于MATLAB和TurboGrid划分螺旋桨周围的流体网格，以ANSYS CFX分析不同桨舵装置的水动力性能，比较了不同水动力计算结果，为一体化桨舵装置水动力计算提供了基本思路。

关键词：一体化桨舵装置 造型设计 水动力

0 引言

一体化桨舵装置是一种组合式推进系统，与普通桨舵装置的不同在于：一体化桨舵装置通过毂帽以及正后方流线形舵球的配合，大大改善桨毂处的水流情况，消除毂涡，从而充分利用桨后涡流的能量，有效提高螺旋桨的效率。

IMO已确定船舶能效设计指数EEDI于2013 年1月1日起生效实施，国内已在同一时间开始执行。一体化桨舵装置作为优化EEDI的创新技术受到了越来越广泛的关注。Wartsila的一体化桨舵装置Energopac被应用于集装箱船，滚装船以及多用途工作船等。实践表明，在设计航速下使用该装置能够节约2～9%的能量消耗。Roll-Royce的一体化桨舵装置Promas能够提高6～8%的推进效率，若为低速船舶，其推进效率提高值最大可达15%。目前主要通过模型试验和数值模拟分析一体化桨舵装置的水动力性能及其影响因素，研究工作集中于优化桨舵的水动力干扰，改善螺旋桨尾流场的流动情况。由于模型试验成本较高且条件严格，难以对一体化桨舵装置的设计个案进行操作，因此数值模拟方法得到了推广运用。近年来，基于粘流理论的螺旋桨CFD数值模拟技术得到了快速发展，被普遍应用于螺旋桨流场、水动力性能分析以及船-桨干扰问题的计算。

文中综合考虑了一体化桨舵装置的设计及其水动力性能计算，为一体化桨舵装置总体设计提供了依据。

1 造型设计方法

一体化桨舵装置包括：螺旋桨、桨毂、毂帽、带舵球的舵，其中舵球前伸与桨毂外形形成光顺连接。

一般地，舵的剖面设计采用NACA型对称机翼剖面。一体化桨舵装置中舵球是以桨轴线为中心线的流线型回转体，舵球的纵向剖面为对称机翼，其前端接近半球体。舵球的几何参数包括：舵球的直径、长度、舵球翼型，其中舵球长度是指舵球前端沿桨轴线到舵叶导边的距离。舵球的位置参数为舵球与螺旋桨毂帽的间距。

根据NACA型值表[1]，将舵叶剖面型值以建模软件可识别的截面参数文件导入软件中为舵的三维模型提供截面基本参数，通过拉伸操作完成舵的三维建模。鉴于舵在转动过程中应避免与桨毂发生干涉，应选取与毂帽曲率相匹配的舵球直径以及舵球长度。舵球可选取与舵叶相同的翼型作为舵球的翼型参数。按照上述几何参数可得到舵球剖面，通过旋转操作完成舵球的三维建模。将舵与舵球模型合并可得到带有舵球的舵，如图1所示。

螺旋桨的三维设计是利用桨叶的基本投影原理将二维的桨叶剖面变换为空间的桨叶切面曲线。在变换过程中需借助螺旋桨的侧斜角、螺距角和纵斜角三个特征角度（其中侧斜角已固化在桨叶剖面型值坐标上），利用相应的变换矩阵将桨叶剖面坐标旋转或移动相应的特征角度，最终得到空间的桨叶切面曲线。

设螺旋桨型值表中桨叶各截面上的型值点坐标为（X0，Y0，Z0），Y轴为螺旋桨轴向且指向船艏，利用螺距角变换矩阵可将剖面型值点旋转一定的螺距角。设螺旋桨的螺距角为φ，坐标变换之后的坐标点为（X1，Y1，Z1），则螺距角变换矩阵如式（1）所示。

桨叶某一剖面的半径为Ri，利用包络变换矩阵可将剖面上的点转换到相应半径处的圆柱面上。包络变换矩阵如式（3）所示。

若桨叶的纵斜角ψ不为零，则可对包络的剖面进行移动，则纵斜角变换矩阵如式（4）所示。

通过上述变换矩阵可得到螺旋桨各剖面的真实空间坐标，将坐标以三维建模软件可识别的截面参数文件导入软件中为螺旋桨三维模型提供截面基本参数。按照点、线、面、体的建模思路生成螺旋桨三维模型，如图2所示。

图1 舵及舵球模型

图2 螺旋桨模型

将舵模型和螺旋桨模型按照舵球的位置参数进行装配，得到一体化桨舵装置。如图3所示。利用运动学仿真软件LMS Virtual Lab Motion验证一体化桨舵装置中舵球与桨毂之间不发生干涉，舵与螺旋桨均能正常工作，因此一体化桨舵装置设计合理。

图3 一体化桨舵装置右舷和左舷

2 计算基本流程

如图4所示，一体化桨舵装置的水动力计算主要由以下五步骤组成。

图4 桨舵装置水动力分析流程图

1）根据现有的螺旋桨及舵的图谱资料，利用MATLAB计算得到螺旋桨在不同半径截面处的关键点和舵在不同剖面处的关键点；

对于螺旋桨，将上述各截面的型值点导出为TurboGrid可识别的特征文件，包括profile.curve、hub.curve、shroud.curve，在TurboGrid中建立螺旋桨三维模型；对于舵，将以上坐标作为中间文件导入三维建模软件Pro/E中。

2）根据螺旋桨基本参数建立的特征文件，利用TurboGrid划分包含螺旋桨的旋转域网格；

3）根据舵的基本参数，利用Pro/E建立舵的三维模型，以中间文件的格式导入到网格划分软件ICEM中，利用ICEM划分流体静态域的CAE网格；在ICEM软件中将上述的旋转域网格和静态域网格合并成CFD的计算网格；

4）在CFX软件中导入由ICEM软件生成的CFD计算网格，建立相应的边界条件，确定相应的求解方法，分别进行水动力分析计算；

5）在CFD-Post中进行结果分析。

本文借助模型实验及水动力计算数据[3,4]，针对表1中的桨舵模型进行水动力计算方法研究。

3 水动力计算模型

基于直角坐标系建立计算模型，Y轴方向与水流方向相反，Z轴与舵的弦展方向一致，X轴方向满足右手坐标系原则。取舵球直径为桨径之比为0.28，长度为55 mm，舵球前端与毂帽最小间距为5 mm。

3.1网格划分

桨舵装置的水动力分析需基于一定的计算域，包括螺旋桨及舵外的等效无限流场空间。依据相关文献，采用与螺旋桨同轴的圆柱形计算域，取圆柱的直径与螺旋桨直径D之比为5:1，圆柱体的长度l与螺旋桨直径的比值为7.5:1，上游速度入口设定在2.5D处，下游压力出口设定在5D处，具体如图5所示。

表1 桨及舵几何参数

图5 计算域分布

将计算域划分成外部和内部区域，外部计算域（②区）包括舵以外的流场空间，主要反应了螺旋桨及舵的来流和尾流情况，在远离螺旋桨及舵的区域水流速度及压力变化并不剧烈，因此可划分较粗的网格，其他部分需划较密的网格。该区域采用ICEM划分结构化网格。内部计算域（①区）包括螺旋桨以外的流场空间，为较好地反映桨叶导边、随边及叶梢形状，采用旋转机械网格划分软件TurboGrid，生成高质量的结构化网格。其中外部计算域网格为静态网格，称作静态域；内部计算域为动态网格，采用多重旋转坐标系（MRF）模型，称作动态域。

3.2边界条件与求解设定

静态域包含流体的入口、出口、无限流场空间壁面、舵及舵球的外壁面、螺旋桨传动轴的外壁面、桨毂的外壁面以及静态域与动态域网格之间的交界面。动态域包含螺旋桨桨叶壁面以及及静态域与动态域网格之间的交界面。通过建立静态域与动态域交界面的连接关系，连接静态网格和动态网格。船模在试验过程中，水池的最高进速可达3m/s，故选定螺旋桨的转速为750 r/min，计算系统在J=0.1～0.8下的水动力情况。

CFD计算过程中以CFX作为求解工具，选用能较好处理旋转问题的RNG k-e湍流模型[5]，对流方式为High Resolution，收敛残差为10-3[6,7]进行求解。

4 水动力分析结果与比较

通过上述计算模型及求解条件的设定，计算得到桨-舵装置的水动力结果。通过CFD-Post提取螺旋桨轴向推力（Fyp，N）、螺旋桨轴向转矩（Typ，N·m）、舵的推力(Fyr，N)。为计算桨舵装置的水动力性能，利用无因次系数分别表示其推力系数Kt、转矩系数Kq和效率η等，如式(5)～(8)所示。

式中，Ktp为螺旋桨产生的推力系数；ρ为水流密度，单位为kg/m3；n为螺旋桨转速，单位为r/s；Ktr为舵产生的推力系数；Kq为桨转矩系数，桨舵装置转矩系数。

4.1普通桨舵装置的定常性能计算结果验证

ANSYS CFX拥有适用于不同复杂程度的多种湍流模型，如k-ε模型、RNG k-ε模型、k-ω模型、剪切压力SST模型等。选取不同的湍流模型预报J=0.5时普通桨舵的定常水动力性能，并将桨的敞水效率计算值与实验值（η0=0.602）进行比较，如表2所示。其中η1和η2是采用相同的普通桨舵计算模型，其区别在于η1模型中静态域采用四面体网格，网格总数为624485，η2模型中静态域采用六面体网格，网格总数为552720个。从表2可知，采用RNG k-ε模型得到的效率值与实验值的偏差最小并能够满足计算要求。因此采用RNG k-ε模型，静态域为六面体网格进行下一步计算。

为证明本文所提出的水动力计算模型及结果的准确性，按照前述方法建立普通桨舵的水动力模型，计算该模型在J=0.1～0.8下的水动力性能，并将结果与实验值进行比较，如图6。由于实验值只有桨的敞水效率，进行验证的数据较少，因此将桨舵装置计算结果与文献所给的计算值相比较[4]，如图7所示。

表2 湍流模型对效率的影响

对于效率而言，本文计算值与实验值的偏差在0.7～5%之间（J=0.7时为11%），随着J的增加偏差越来越大。对于桨舵装置的推力系数Kt、转矩系数Kq以及效率η而言，数值计算结果与文献所给数值吻合性较好。因此模型具有较好的计算精度，计算方法可行。

4.2一体化桨舵装置水动力性能研究

为研究一体化桨舵的水动力性能，将其与普通桨舵的水动力计算值进行比较分析，如图8所示。

从图8可知，在不同J下，一体化桨舵装置的扭矩系数与普通桨舵基本一致，但桨的推力系数略有增加。随着J的提高，增加的幅度逐渐减小。这是由于一体化桨舵中舵球填充了螺旋桨后方的空间有利于削弱桨后方轴线处的低压区，减小螺旋桨后方叶根处的水流速度，增加了螺旋桨的推力。

图7 普通桨舵装置水动力比较分析

图8 不同桨舵装置水动力比较分析

从图9和图10可知通过在桨毂处流线形毂帽以及毂帽正后方的流线形舵球的配合，能够大大改善桨毂处的水流情况。空泡筒的实验研究表明，舵球能够消除或减少桨毂帽后部的水流分离，减少粘压阻力。因此一体化桨舵装置是通过改善螺旋桨后水流状态，减少桨后涡的形成并充分利用桨后涡流能量，从而提高螺旋桨的效率，实现节能。计模型中舵只受到阻力的作用，因此在舵的推力系数前增加负号，如图10所示。一体化桨舵装置不仅增加了桨的推力，同时减少了舵的阻力作用，因此一体化桨舵装置的总体效率得到提高，在不同进速系数下效率的增加值为0.3～5%，具体数值如表3所示。

表3中，Kt0、Kq0、η0表示普通桨舵装置的水动力系数；Kt1、Kq1、η1分别表示一体化桨舵装置的水动力系数；∆η表示效率增加幅度。

图9 普通桨舵右舷和左舷的压力及流线分布(J=0.6)

图10 一体化桨舵右舷和左舷的压力流线分布（J=0.6）

表3 不同桨舵装置的水动力比较

5 结论

本文以一体化桨舵装置为分析对象，详细论述了一体化桨舵装置的造型设计及水动力计算分析过程。在造型设计过程中，基于螺旋桨的投影原理，利用MATLAB计算得到桨、舵及舵球的真实空间坐标。通过三维建模及运动学仿真软件完成一体化桨舵装置造型设计，验证了设计的合理性。基于MATLAB与TurboGrid直接划分包含螺旋桨的旋转域网格，快速得到CAE分析所需的高质量结构化网格。

在水动力分析过程中，总结了利用ANSYS CFX进行一体化桨舵装置水动力分析方法。通过比较普通桨舵装置及一体化桨舵装置的水动力分析结果的差异可知，该计算方法能够准确预报一体化桨舵装置的水动力性能。文中的造型设计及水动力计算分析为一体化桨舵装置总体设计提供了一定的理论指导。

参考文献：

[1]王献孚.船用翼理论[M].北京:国防工业出版社,1998.

[2]Carlton J S.Marine propellers and propulsion[M].Second edition,Netherlands:Elsevier Ltd,2007.

[3]张大有,逢吉春.襟翼舵舵球技术研究[J].武汉交通科技大学学报,1997,21(6):596-598.

[4]何苗,王超,郭春雨等.舵球几何参数对螺旋桨水动力性能的影响[J].武汉理工大学学报,2011,68-72.

[5]王超,何苗,郭春雨等.一体化节能推进装置定常水动力性能的数值模拟分析[J].哈尔滨工程大学学报,2013,674-679.

[6]朱俊飞,周瑞平,林雨等.导管螺旋桨水动力与结构强度计算方法研究[J].造船技术,2012,39-45.

[7]ANSYS.ANSYS CFX-Solver Modeling Guide[R].ANSYS,Inc.2012.

[8]John Carlton.Marine Propellers and Propulsion.[M].Burlington:Elsevier Ltd,2nd edition 2007:277-278.

[9]Maruo,H,Ikchate,Moand Ando,M.Theoretical Prediction of Unsteady Propeller Characteristic in the Non-Uniform Wake Field[C].United States.Office of Naval Research.15th Symposium on Naval Hydrodynamic.1984:261-275.

[10]郑巢生,张志荣.基于OpenFOAM的螺旋桨敞水性能预报方法[J].中国舰船研究,2012,7(3):30-35.

[11]Model Test Report for the 92500t Bulk-Cargo Ship[R].Wuxi:Deep Tank of China Ship Scientific Research Center.2007.

Design and Hydrodynamic Simulation for Integrated Propeller-rudder System

Chen Ruxing,Zhou Ruiping,Xiao Nengqi,Zhou Ruiping
(School of Energy and Power Engineering,Wuhan University of Technology,Wuhan 430063,China)

Abstract:The approach of design and hydrodynamic simulation is dealt with in detail for the integrated system in this paper.The spatial coordinates for the model is calculated by MATLAB.With the tool of CAD software,the three-dimensional model and kinematics simulation is obtained.The CAE grid around propeller is accomplished based on MATLAB and TurboGrid.Hydrodynamic performance of different system is performed in ANSYS CFX.The result is analyzed with each other.It provides a common method to analyze the hydrodynamic performance for integrated propeller-rudder system.

Keywords:integrated propeller-rudder system; design; hydrodynamic

作者简介：杨震(1994-)，男，研究方向：船舶动力装置系统性能分析及振动噪声控制技术；陈如星(1989-)，男，硕士，研究方向：船舶动力装置系统性能分析及振动噪声控制技术；肖能齐（1987-），男，博士研究生，研究方向：船舶动力装置系统性能分析及振动噪声控制技术；周瑞平（1964-），男，教授/博士生导师，研究方向：船舶动力装置系统性能分析及振动噪声控制技术。

基金项目：国家自然科学基金（No.51479154）/国家科技支撑计划（No.2014BAG04B02）

收稿日期：2015-12-24

中图分类号：U664.2

文献标识码：A 文章标号：1003-4862（2016）02-0008-05