槳后舵片空化的面元法數值計算方法

葉金銘， 于安斌， 王威， 王友乾

(海軍工程大學 艦船工程系，湖北 武漢 430033)

近年來由于艦船向著高速化和大型化方向發展，特別是對于高速艦船，處于螺旋槳后工作的舵的振動和空化剝蝕也越來越嚴重，因此對舵性能的考慮也越來越全面。20世紀90年代美國海軍為了測試槳和舵的水動力性能和噪聲特性，進行了一項實船空泡觀測試驗[1-2]，結果表明，即便是中等海況條件下保持航向航行，23 kn航速時舵表面即出現空泡，舵空泡引起的空化剝蝕在后來的船塢檢修中也被證實。舵空泡不僅會使舵效降低，產生空化剝蝕，從而影響舵的水動力性能和使用壽命，更為重要的是，舵空化還會導致船體艉部振動和輻射噪聲顯著增加，影響艦船的隱身性。

陳建挺等[3]針對某集裝箱船的舵空泡在空泡水筒中進行了試驗研究，觀察了操舵過程中舵空泡產生的情況，探討了降低舵空化剝蝕的方法。鄧鴻等[4]針對大型高速客貨船舵系空泡剝蝕現象提出了舵設計階段應該考慮的關鍵點。黃昊[5]闡述了在工作過程中遇到的空泡問題，并給出了在實船常規舵系設計中空泡預防的措施。張繼靜[6]討論了舵參數對空泡性能的影響。葉金銘等[7-9]采用壓力分布和空泡數對比的方法對舵的空化起始航速進行了分析。

Salvatore等[10]采用面元法對三維水翼空泡進行了計算，計算時通過修正的方法考慮了粘性的影響。Koop等[11]用基于歐拉方程的有限體積法對扭曲水翼的空泡進行了計算，并與水洞試驗結果進行了比較。Achkinadze等[12-13]采用勢流方法對舵的非空化流動和空化流動進行了計算，Vladimir等[14]分別用面元法和RANS方法對槳后舵的片空泡進行了計算，并與試驗結果進行了比較，結果證明面元法在計算螺旋槳尾流場、舵的橫向力、舵片空泡時與試驗結果有較好的一致性。

目前國內對舵空化問題關注得并不多，對舵空化的研究還不夠深入，主要是用定性分析的方法來研究舵空化，在舵空化具體數值計算方面還基本上是空白。但隨著水面艦船高航速工況使用得越來越頻繁，舵空化問題將會越來越突出。本文通過計算螺旋槳的尾流場，采用面元法對槳后舵的片空泡進行數值預報，得到各種航速各種舵角條件下舵表面片空泡的范圍和厚度分布，可快速對水面艦船舵空化問題進行定量評估，能為研究舵空化引起的激振力以及進行舵的優化設計提供技術支撐。

1 空泡計算方法

1.1 積分方程

根據Green公式，我們可以通過在物面上布置法向偶極子和源匯以及在尾渦上布置偶極子的方式建立流場中速度勢的表達式，從而處理空泡流動問題。布置在舵葉表面表示空泡部分的源匯將使流體邊界和固體邊界之間存在間隙區域，即空泡區域，對其沿流線方向積分可得到空泡的形狀，這一問題和薄翼的厚度問題相似。

對于全濕流動或局部空泡流動，關于擾動速度勢的方程為

(1)

式中：P表示控制點，Q表示負荷點。槳葉濕表面上的源強由運動學條件確定，而空泡上的偶極子強度由動力學邊界條件確定。因此式(1)成為確定舵葉空泡表面未知源強和濕表面上未知偶強的積分方程。

1.2 動力學邊界條件

將Bernoulli方程應用于空泡表面SC，則有

(2)

(3)

式中：VS為船速，H為舵的展長。定義Froude數為

(4)

則式(4)變為

(5)

將式(5)應用于空泡分離點和空泡上的任意一點c(為簡化，無因次量和原始物理量采用相同符號):

(6)

由式(6)可得：

(7)

(8)

經過對積分表面進行面元劃分后，積分方程相應地離散為以面元上的源強和偶強為未知數的方程組。由于事先不知道空泡的范圍和形狀，這就面臨著展向和弦向兩個方向上空泡的范圍都未知的、空泡的厚度也未知的困難，因此求解空泡問題是比較復雜的。解決的方法之一就是將三維問題分解為兩個方向的迭代過程：每一弦向條帶上的迭代(第一層迭代)以及弦向條帶之間的展向迭代(第二層迭代)，把求解只限于在每一條帶上進行，在求解某一條帶時，其他條帶的源和偶極子強度分布是已知的，這一弦向條帶上的源強和偶強求解出來之后，將更新之前的結果，然后把求解的對象轉移到下一弦向條帶，直到所有弦向條帶上的解滿足收斂要求。

1.3 計算方法驗證

為了驗證該方法的計算精度，用該方法對三維水翼的空泡進行了計算。三維水翼剖面為NACA0016翼型的矩形機翼，厚度和弦長之比為6%,展弦比為2.0，攻角為6°，空泡數σV=0.822 ，試驗觀測結果與計算結果的比較情況見圖1。可以看出，對于三維水翼空泡，計算結果和試驗觀測結果有較好的一致性。

圖1 水翼空泡試驗觀測結果與計算結果比較Fig.1 Comparison of cavitation on hydrofoil between calculation and test results

2 舵片空泡計算

2.1 螺旋槳尾流計算

將螺旋槳的槳葉、槳轂及其尾渦面用四邊形雙曲面元離散。每個槳葉表面離散為2×M×N個面元，其中M為徑向面元數，N為弦向面元數，槳葉的徑向方向采用均勻劃分，弦向方向采用余弦劃分。螺旋槳尾流場可以通過對積分方程式(1)進行梯度求解來實現，得到螺旋槳尾流場中任一點P的擾動速度φ：

φ

(9)

特別地，離尾渦面上比較近的地方，上面的解析公式會產生不合理的結果，這時可以將偶極子的誘導速度轉換為走向沿著雙曲四邊形面元邊界的渦環的誘導速度：

(10)

根據Kerwin提出的計算方法可以得到渦環對近場處的誘導速度。

為了驗證該方法對螺旋槳尾流場的計算精度，首先對DTMB4119槳在x/R=0.295,r/R=0.7處的尾流場分別用CFD方法和面元進行了計算，面元法計算時槳葉表面劃分的面元數為2×20×20，并和公開發表的實驗數據[15]進行了比較，比較結果如圖2所示。從比較結果可以看出：除了在螺旋槳尾渦面附近很小的區域內面元法計算結果以及CFD計算結果與實驗測量結果有一定的差別外，其他區域上的流場吻合較好；在螺旋槳尾渦面附近的差別主要是由于尾渦面附近的流場具有一定奇異性，用面元法計算會有一定的誤差，但該誤差主要集中在尾渦面附近很小的區域內，對螺旋槳尾流場的宏觀分布影響不大，因此用面元法計算螺旋槳的尾流場作為舵來流輸入數據是完全可行的。

圖2 DTRC4 119尾流場計算結果與試驗測量比較Fig.2 Comparison of DTRC4119 wake between calculation and test results

用上面的尾流計算方法對某水面船30 kn時螺旋槳的尾流場進行計算，并對螺旋槳尾流場進行周向平均處理，計算得到的在舵軸盤面處各半徑的速度分布結果如圖3，通過插值方法得到舵在不同展長位置的來流速度大小和方向。

2.2 舵片空泡計算結果及分析

將計算得到的螺旋槳尾流場作為計算舵空泡的來流速度場，再用上面建立的舵空泡的計算方法對各航速下不同舵角時的舵空泡形狀進行計算。計算舵空泡時，忽略來流的速度脈動，即對計算得到的螺旋槳尾流場進行周向平均處理，計算時考慮舵的侵深，但不考慮打一定舵角時船舶運動漂角對舵進流的影響。舵表面面元數為2×15×20，在18、21、24、27、30、31.5 kn等工況的計算結果見圖4所示。

從圖4可以看出，相同舵角下，航速越高，舵上的空化范圍越大；航速不變時，舵角越大，空泡范圍越大；舵角越大，舵的發生空化的起始航速越低。

0°舵角時，艦船在27 kn航速下就會產生空泡，這和文獻[8]的分析是一致的。由于該船的吃水較深，舵的浸深較大，舵最易發生空化的展向位置的浸深大于4 m，而一般的水面中高速艦船的吃水比該船明顯小，因此這些艦船的舵表面更容易發生空化，0°舵角時舵的空化起始航速會更低。

圖3 螺旋槳尾流計算結果Fig.3 Calculation results of propeller wake

在5°舵角時，24 kn航速下舵已產生較大范圍的空泡。由于艦船航行過程中，通過自動舵保持航向航行是最常用的航行狀態，在中低海況條件下，舵角一般會在-5°～+5°內頻繁變化，所以該艦船即使以24 kn航速保持航向時，該舵表面也會發生空化。對于采用常規舵的許多中高航速水面艦船而言，由于舵的浸深比該船小，保持航行時舵的空化起始航速一般比24 kn還要小，而其設計航速一般又明顯大于24 kn，因此在較大的航速范圍內舵會產生較嚴重的空泡現象。在中高海況時，艦船直航時，自動舵舵角變化范圍更大，舵的空化問題也更嚴重。

舵空化不僅會引起舵面剝蝕，還會導致船體尾部振動和噪聲顯著增加，因此有必要對舵的設計方法開展研究，設計中應根據螺旋槳尾流場的特點進行舵的匹配設計，以提高舵的抗空化性能，從而避免舵空化帶來的不利影響。

圖4 舵片空泡計算結果Fig.4 Calculation results of sheet cavitation on rudder

4 結論

1)航速越高，舵角越大，空化問題越嚴重，對于采用常規舵的一般中高速水面艦船而言，即使是保持航向航行，在較大的航速范圍內舵表面也會發生空化，從而引起空化剝蝕、舵效降低、艉部振動和輻射噪聲增加等一系列問題。

2)為了避免舵空化帶來的一系列問題，根據螺旋槳尾流場的特點進行舵的優化設計，提高舵的抗空化性能。

本文建立的方法可以對水面艦船的舵空化問題進行定量評估，為計算舵空化引起的激振力提供數據輸入，也可為開展舵的抗空化設計提供技術支撐。

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本文引用格式：

葉金銘， 于安斌， 王威， 等. 槳后舵片空化的面元法數值計算方法[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2017， 38(12): 1844-1848.

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