高效扭曲舵的水动力特性数值分析

传统船舵在船舶螺旋桨流程的影响下会产生空泡效应,造成船舵结构的损坏和转向功率的下降,造成船舶运营成本的提高。为了解决这一问题,行业内针对高效扭曲舵的研究成为一项热点。不同于传统舵,扭矩舵具有更好的水动力特性,能够克服船舶螺旋桨的尾流影响。本文的研究方向是对高效扭曲舵的水动力学特性进行理论分析和仿真,实现扭曲舵的最优参数设计,对于改善现有船舵的性能有一定的指导意义。

半悬挂扭曲舵水动力及空化性能研究

In this study,we designed a new,semi-balanced,twisted rudder to reduce the surface cavitation problem of medium-high-speed surface warships.Based on the detached eddy simulation(DES)with the Spalart-Allmaras(SA)model(SA-DES)and the volume of fluid(VOF)method,the hydrodynamic and cavitation performances of an ordinary semi-balanced rudder and semi-balanced twisted rudder at different rudder angles were numerically calculated and compared using the commercial computational fluid dynamics(CFD)software STAR-CCM+with the whole-domain structured grid.The calculation results showed that,under the same working conditions,the maneuverability of the semi-balanced twisted rudder basically remained unchanged compared with that of the ordinary semi-balanced rudder.Furthermore,the surface cavitation range of the semi-balanced twisted rudder was much smaller,and the inception rudder angle of the rudder surface cavitation increased by at least 5°at the maximum speed.In conclusion,the semi-balanced twisted rudder effectively reduced the cavitation of the rudder surface without reducing the rudder effect and exhibited excellent anti-cavitation performance.

基于最大舵阻力减额的扭曲舵设计及性能分析(英文)

扭曲舵的应用能提高推进装置的效率,文章采用了面元法来计算螺旋桨对舵的影响从而获得了不同舵剖面上的来流攻角,然后以最大附加推力为目的对舵剖面进行扭转,采用迭代处理计算了螺旋桨与桨后扭曲舵的相互干扰的水动力性能。并对设计出的扭曲舵进行了改良,将舵导边及其前缘进行扭转。计算结果表明,扭曲舵减小了压差阻力使得舵的总阻力减小,改善了舵的水动力性能,提高了桨舵系统效率;改良后的舵可更好地适应来流,同时减小了舵的摆动幅度,解决了由于叶剖面大幅摆动带来的问题。

扭曲舵空化起始航速分析

针对水面中高速舰船舵的空化问题,研究了普通舵和扭曲舵的空化特性,比较了两种舵的空化起始航速。通过CFD方法,对桨后舵水动力性能进行了数值计算,得到普通舵和扭曲舵的在各种工况、各种舵角条件下的压力分布特性,通过考查两种舵的压力分布特性,对普通舵和扭曲舵的空化起始航速进行了计算评估。结果显示:在各航速各舵角下,扭曲舵的压力降峰值比普通舵明显减小,可以大幅提高舵的空化起始航速,在舰船0舵角直航时,扭曲舵的空化起始航速可以提高5.9 kn。因此扭曲舵可以减小舵上空化剥蚀和振动,对舵的使用寿命和舰船的隐身性是有利的。

抗空化扭曲舵的设计及其水动力性能分析

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.

扭曲舵水动力数值计算和自航约束模试验测量研究

建立了桨后舵水动力的CFD数值计算方法,对两种舵的压力分布和舵力进行了比较,结果显示扭曲舵可以明显减小0°舵角时舵上的横向力和舵轴扭矩。在拖曳水池中进行了自航约束模舵力测量试验,对扭曲舵和普通舵的舵力进行了测量,试验结果也表明,在0°舵角时,扭曲舵上的受力状态得到明显改善。将舵力的数值计算结果与试验结果进行比较,两者有较好的一致性,说明建立的数值计算方法可以对桨后舵舵力进行较好的模拟计算。

扭曲舵空泡观测实船试验研究

为验证扭曲舵的抗空化效果,在前期完成扭曲舵设计及实船换装工作的基础上,首次在国内开展了扭曲舵和普通舵的空化实船观测对比试验,对两种舵在设计航速和最大航速下固定舵角工况和直航自动舵工况的空泡进行了比较。结果表明:在相同航速工况下,扭曲舵的舵面空化起始舵角可提高10°左右,可以消除舰船常用航行状态下舵面的空化问题;在高航速大舵角工况时,扭曲舵的空化面积远小于常规舵;在扭曲舵优化的基础上,防腐蚀电极新型安装结构和舵下端导流罩可以有效解决防腐蚀电极和舵下端面的空化问题。通过扭曲舵空泡观测实船试验,证明了扭曲舵具有良好的抗空化性能,为抑制水面舰船舵空化剥蚀、降低船尾振动噪声提供了有效途径,具有优良的应用前景。

扭曲舵及舵球对支线型集装箱船快速性影响的试验研究

针对一艘支线型集装箱船,基于模型试验,研究导边扭曲舵、随边扭曲舵及舵球对船体推进功率的影响。对扭曲舵的导边和随边扭曲角度和舵球的形式进行了系列试验。研究结果表明:随着导边扭曲角度从4.0°增大到6.0°,在包含设计速度的一定范围内,船体推进功率降低。随边扭曲对船体推进功率影响不大。安装椭圆流线型舵球形式的扭曲舵的船体快速性能优于安装大平头型舵球扭曲舵船体的快速性能,在实船应用中效果较好。

扭曲舵抗空化性能模型试验研究

为研究扭曲舵的抗空化性能,在空泡水洞中对带导流罩的扭曲舵和常规舵进行空泡观测对比试验,试验中观测了两者的舵面空泡和舵下端面空泡。试验结果表明:在相同航速工况下,扭曲舵的舵面空化起始舵角提高7°～8°;扭曲舵下端导流罩的空化起始航速可提高7kn以上,其空化起始舵角可提高15°;当水面舰船在高航速小舵角时,扭曲舵可消除舵面的空化剥蚀影响;当水面舰船在高航速大舵角时,扭曲舵可有效降低空化剥蚀的面积。因此,扭曲舵具有良好的抗空化性能,在水面舰船领域具有广泛的应用空间。

悬挂式扭曲舵的设计和计算

以某支线集装箱船为研究对象,逐步论述、权衡并确定其舵的几何参数,根据该几何校算所需的舵杆直径和舵机功率。采用CAESES和STAR-CCM+软件分别进行舵的参数化建模和舵周流场的数值仿真,基于流场信息完成舵的扭曲设计,最终得到与该集装箱船相匹配的扭曲舵方案。数值试验结果表明,该设计扭曲舵在节能和抗空化性能方面的表现相比普通舵有较为可观的提升。

螺旋桨-扭曲舵系统水动力性能数值预报

采用CFD方法对由螺旋桨和扭曲舵组成的桨-舵系统的水动力进行数值计算,采用非定常RANS方程和RNG k-ε湍流模型,使用滑移网格模拟螺旋桨旋转。对由B4-70型螺旋桨和常规舵组成的桨-舵系统进行数值计算,和试验数据对比验证数值方法的有效性;以某螺旋桨及NACA剖面常规舵、扭曲舵、带舵球的扭曲舵和带端板的扭曲舵4种舵型为对象的桨-舵系统进行数值预报,分析舵型对螺旋桨水动力性能的影响、舵表面压力分布以及不同舵角下舵升力的变化规律。结果表明,设计工况扭曲舵能提高敞水效率的效果;大舵角时,扭曲舵可以提高舵升力;选择扭曲舵的时候,要考虑与螺旋桨的配型问题。

扭曲舵强制自航舵力测量试验研究

在拖曳水池中进行了自航约束模舵力测量试验,对扭曲舵和普通舵的舵力进行了测量,比较分析了扭曲舵和普通舵的舵力特性。试验结果表明,在0°舵角时,扭曲舵上的受力状态得到明显改善,对舰船的直航性和舵机受力是有利的。在通过打舵使舰船发生回转时,扭曲舵不仅能使舵轴上的受力状态得到改善,而且能够提高舵的操纵力,改善舰船的回转性能。

桨舵组合式节能推进器设计及水动力性能验证

为减小螺旋桨尾流能量耗散,提高桨舵系统的推进效率,开展桨舵组合式推进器设计研究。首先,基于适伴流设计思想结合面元法编制最大阻力减额的扭曲舵设计程序,获得桨后舵不同展向位置的扭曲角度,并通过与一前端削平的舵球及桨毂光顺连接形成桨舵组合式推进器的设计方案。然后,采用数值仿真分析获得均匀流场中桨舵组合式推进器的水动力性能、压力分布与流场特性等细节,初步验证设计方案的合理性。最后,开展船后桨舵组合式推进器的水动力性能试验,获得不同航速下螺旋桨和舵的水动力性能。试验结果表明,桨舵组合式推进器较原型桨舵推进器的效率在全航速段均有一定程度的提升,在设计工况点提升值达2.7%,证明设计方法正确,设计方案合理可行。

扭曲反应舵节能功效的可行性探讨

结合5100 TEU集装箱船扭曲反应舵的设计经验,通过项目工程管理的方法对扭曲反应舵节能功效的可行性和实践进行探讨,为船舶节能舵设计和制造提供一种新思路。

基于CFD方法的扭曲舵非定常水动力性能研究

应用CFD方法,结合RNGk-ε湍流模型,利用非定常滑移网格方法,对常规舵和扭曲舵在桨舵干扰情况下的水动力性能进行了计算:通过计算进速系数分别为0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8情况下的螺旋桨的推力曲线和舵的阻力曲线,得出结论,普通舵和扭曲舵对螺旋桨的影响差别不大,但扭曲舵能够有效地减少自身阻力,从而增加推进系统的效率,起到节能的作用。由普通舵和扭曲舵在桨后的受力分布可知,扭曲舵的外形变化减小了来流攻角,使舵表面没有负压区,在空化方面要优于普通舵。

不同湍流模型在高效舵水动力计算中的适用性分析

针对不同湍流模型在随边扭曲高效舵水动力计算中的适用性问题,采用计算流体力学软件STAR-CCM+,应用Spalart-Allmaras、SST k-ω、Realizable k-ε等5种湍流模型对1种新型随边扭曲高效舵进行水动力计算,预报值与模型试验结果对比分析表明,湍流模型不同,结果差异较大,使用Standard k-ε湍流模型得到的仿真结果精度最高,在模型尺度下随边扭曲高效舵水动力数值计算方面较其他模型更具优势。

舵球鳍参数对扭曲舵水动力性能的影响研究（英文）

文章对桨后普通舵和扭曲舵的水动力性能进行了试验研究,并采用计算流体力学方法对桨舵系统的水动力性能进行计算,得到了不同进速系数下的推力系数、扭矩系数以及敞水效率,并绘制了敞水性能曲线。通过桨舵模型试验值与计算值的对比,验证了计算方法的可靠性。为了进一步提高扭曲舵的节能效果,在扭曲舵前安装了舵球,优化舵球的半径后在舵球两端安装推力鳍,通过优选推力鳍的各个参数(安装位置、展弦比和安装角),使桨舵系统的敞水效率逐步提高。确定了舵球鳍的最优参数后,桨—扭曲舵系统的效率进一步提高1.2%。最后通过观察舵表面压力分布、舵附近轴向速度和迹线分布,分析了舵球鳍对桨舵干扰的影响。

基于CFD的高效舵多方案优化设计

为了提高某型船的操纵性,以提高升力系数为目标,综合考虑布置、强度和可加工性因素,对其舵系进行优化设计;应用CFD方法,模拟舵系在不同攻角下的三维流场,分析翼型最大厚度位置、加装制流板措施以及随边高效化设计对舵效的影响,得到舵效较优的设计方案。在此基础上,通过模型试验对比优化前后的舵系水动力性能,结果表明,采用高效能措施设计得到的舵系,在相同舵角下具有较高的升力系数。

舵套筒形式的全悬挂扭曲舵设计

从舵系计算及舵叶、呆舵、舵杆、舵套筒和舵承的设计等方面出发,对舵套筒形式的全悬挂扭曲舵进行优化设计。利用计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics, CFD)软件计算分析,确保整个舵系设计达到预期效果。

扭曲舵+舵球节能效果数值模拟

基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD),对1艘海上油田环保作业船自航进行数值模拟,从推进效率和流动细节上对比分析平板舵方案和扭曲舵+舵球组合方案的差异。计算采用RANS方法结合滑移网格法处理螺旋桨旋转运动,数值模拟得到的转速、推力和扭矩与试验数据吻合较好。计算结果显示:采用扭曲舵+舵球方案可降低螺旋桨尾流区旋涡强度,减小舵导边附近的高压区,提高推进效率。