郵輪吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能仿真研究

聶遠(yuǎn)哲，歐陽(yáng)武*,2，李高強(qiáng)，張聰,2，周新聰,2

1 武漢理工大學(xué) 交通與物流工程學(xué)院，湖北 武漢 430063

2 國(guó)家水運(yùn)安全工程技術(shù)研究中心 可靠性工程研究所，湖北 武漢 430063

0 引 言

吊艙推進(jìn)器是一種集成電力推進(jìn)器，將推進(jìn)電機(jī)嵌入吊艙中，通過(guò)立柱安裝于船體下方，螺旋槳直接與電機(jī)輸出軸相連，并將推進(jìn)器與回轉(zhuǎn)裝置連接后即可實(shí)現(xiàn)360°全回轉(zhuǎn)。這種電力直驅(qū)模式實(shí)現(xiàn)了能量的無(wú)傳動(dòng)轉(zhuǎn)化和推進(jìn)與轉(zhuǎn)舵一體化。與傳統(tǒng)柴油動(dòng)力機(jī)械式推進(jìn)系統(tǒng)相比，吊艙電力推進(jìn)系統(tǒng)具有功率密度高、總體空間占比小、振動(dòng)和噪聲低、綠色節(jié)能等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]。對(duì)于高性能船舶而言，吊艙推進(jìn)器還可以實(shí)現(xiàn)矢量推進(jìn)，從而提高船舶的機(jī)動(dòng)性和安全性。世界知名的吊艙推進(jìn)器產(chǎn)品主要包括Azipod，SSP，Mermaid 和Dolphin 等[2]，其中ABB 公司的Azipod，Compact Azipod，CRP Azi-pod 系列產(chǎn)品的推進(jìn)功率覆蓋了0.4 ～90 MW。目前，吊艙推進(jìn)器已成為部分船型的備選推進(jìn)方案，例如破冰船、科考船、豪華郵輪、海工平臺(tái)等。

吊艙推進(jìn)器的組合式水力組件包括螺旋槳、吊艙、立柱和其它附體，它們共同決定了推進(jìn)器的水動(dòng)力性能，但水力組件與流體的相互作用機(jī)理比單純的螺旋槳更復(fù)雜。目前，水動(dòng)力的研究方法主要包括試驗(yàn)法和數(shù)值計(jì)算法。在試驗(yàn)方面，Islam 等[3]對(duì)偏轉(zhuǎn)工況下拖式吊艙推進(jìn)器的敞水推進(jìn)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，測(cè)量了推進(jìn)器的推力、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及3 個(gè)正交方向上的力和力矩等數(shù)據(jù)。賀偉等[4]對(duì)不同偏轉(zhuǎn)角下雙槳式吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能開展了試驗(yàn)研究。Islam 等[5]以雙槳式吊艙推進(jìn)的破冰船為例，對(duì)敞水工況和不同冰工況下的雙槳式推進(jìn)器性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。Zhao 等[6]采用粒子圖像測(cè)速技術(shù)對(duì)L 型吊艙推進(jìn)器在不同工況下的流場(chǎng)特征進(jìn)行了測(cè)量，并研究了不同進(jìn)速系數(shù)和偏轉(zhuǎn)角下螺旋槳、艙體和吊臂之間的作用規(guī)律。封培元等[7]對(duì)某吊艙推進(jìn)豪華郵輪模型進(jìn)行了自航試驗(yàn)，研究了規(guī)則波和不規(guī)則波作用下的螺旋槳轉(zhuǎn)速和扭矩變化情況。此外，根據(jù)調(diào)研，安裝動(dòng)力儀之后的循環(huán)水槽或拖曳水池可以較為準(zhǔn)確地測(cè)量吊艙推進(jìn)器導(dǎo)管和螺旋槳的敞水性能數(shù)據(jù)。

在數(shù)值計(jì)算方面，Cheng 等[8]早在八十年代就基于勢(shì)流理論建立了理想模型，模擬了螺旋槳的定常水動(dòng)力性能，用于預(yù)報(bào)吊艙推進(jìn)船舶的性能。在此之后，Taskar 等[9]、Bal 等[10]和Ye 等[11]均采用勢(shì)流方法研究了吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能。隨著計(jì)算機(jī)性能的不斷提升，研究人員相繼開始采用黏流方法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。例如，Shamsi 等[12]和祝志超等[13]基于雷諾平均納維?斯托克斯（Reynolds-averaged Navier-Stokes，RANS）方程計(jì)算了吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能，并對(duì)計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證；Zhang 等[14]采用改進(jìn)的延遲脫體渦模擬法（improved delayed-detached eddy simulation，IDDES）對(duì)混合式對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳（contra-rotating propeller，CRP）吊艙推進(jìn)器的前、后兩槳之間的相互作用進(jìn)行了數(shù)值研究，重點(diǎn)研究了推力、轉(zhuǎn)矩和流場(chǎng)細(xì)節(jié)；姚震球等[15]基于黏性理論和滑移網(wǎng)格技術(shù)對(duì)三維實(shí)尺度的裸槳及吊艙推進(jìn)器的敞水性能進(jìn)行了數(shù)值模擬。

雖然國(guó)內(nèi)外學(xué)者圍繞吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)和測(cè)試試驗(yàn)方面開展了大量研究工作，但尚未建立這種組合式水力組件與其水動(dòng)力性能之間的明確映射關(guān)系，所以吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力正向設(shè)計(jì)理論及優(yōu)化方法仍然是一個(gè)難題，嚴(yán)重制約了我國(guó)大型吊艙推進(jìn)器的自主研制能力。為此，本文以某豪華郵輪吊艙推進(jìn)器為對(duì)象，擬基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）理論，對(duì)吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能進(jìn)行仿真分析及試驗(yàn)驗(yàn)證，以研究不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)推進(jìn)器性能的影響規(guī)律，從而為郵輪吊艙推進(jìn)器設(shè)計(jì)提供參考。

1 吊艙推進(jìn)器CFD 仿真的基本原理

1.1 控制方程

吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力模型主要包括流體的質(zhì)量守恒方程（式（1））和動(dòng)量守恒方程（式（2））：

式中：ρ 為密度；t為時(shí)間；u1，u2，u3分別為速度矢量在x，y，z方向上的分量；A為控制面的面積；w為流體速度；n為控制面單元的外法線單位向量；τ 為控制體的體積；F為作用于控制體上單位質(zhì)量流體的質(zhì)量力；pn為流體應(yīng)力。

當(dāng)水流經(jīng)過(guò)吊艙推進(jìn)器時(shí)，其流動(dòng)一般為湍流狀態(tài)，因此需增加湍流基本方程。由于湍流流動(dòng)可以視為時(shí)間平均流動(dòng)和瞬時(shí)脈動(dòng)流動(dòng)的疊加，所以將 N-S 方程時(shí)域平均化后即可得到RANS 方程：

1.2 湍流模型

當(dāng)?shù)跖撏七M(jìn)器工作時(shí)，其主要運(yùn)動(dòng)部件為螺旋槳。目前，模擬螺旋槳水動(dòng)力性能總體效果最好的是SSTk-ω 湍流模型，但其對(duì)近壁面網(wǎng)格尺寸的要求較高，相比之下，Standardk-ε 模型更為穩(wěn)健且計(jì)算簡(jiǎn)單，但其精度有所欠缺[16]。作為Standardk-ε 的改進(jìn)模型，Realizablek-ε 模型在旋轉(zhuǎn)流動(dòng)、強(qiáng)逆壓梯度的邊界層流動(dòng)、流動(dòng)分離和二次流等方面均表現(xiàn)優(yōu)異，可以更好地兼顧計(jì)算成本和精度，故本文將選用Realizablek-ε 湍流模型對(duì)方程組進(jìn)行補(bǔ)充求解，具體形式如下[17]：

式中：k為湍動(dòng)能；ε 為湍動(dòng)能的耗散率；為時(shí)均速度；μ為流體動(dòng)力黏度；μt為湍動(dòng)黏度；σε為與耗散率ε 對(duì)應(yīng)的Prandtl 數(shù)；C1和C2均為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)；E為時(shí)均應(yīng)變率；v為流體運(yùn)動(dòng)黏度；σk為與湍動(dòng)能k對(duì)應(yīng)的Prandtl 數(shù)；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)。

2 計(jì)算模型及試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 吊艙推進(jìn)器模型

本文將采用STAR-CCM+軟件開展推進(jìn)器敞水性能仿真，分析對(duì)象為某豪華郵輪大型拖式吊艙推進(jìn)器，其主要部件包括螺旋槳、吊艙、立柱和鰭。通過(guò)對(duì)該推進(jìn)器進(jìn)行尺寸縮比（縮比后的實(shí)物與模型雷諾數(shù)之間相差2 個(gè)數(shù)量級(jí)），保留推進(jìn)器的組成部件和結(jié)構(gòu)形態(tài)，建立縮比三維模型（圖1），主要參數(shù)如表1 所示，其中R為螺旋槳半徑。

表1 推進(jìn)器的主要參數(shù)Table 1 Main parameters of podded propulsor

圖1 吊艙推進(jìn)器縮比模型的多角度視圖Fig. 1 Multi-angle views of reduced scale model of podded propulsor

2.2 計(jì)算域及網(wǎng)格劃分

當(dāng)郵輪吊艙推進(jìn)器運(yùn)行時(shí)，其所在流域可視為無(wú)限大， 若將計(jì)算模型也設(shè)置為無(wú)限大，則可避免邊界條件對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響。然而，流域過(guò)大將顯著增加計(jì)算量，故宜劃分一個(gè)在誤差允許范圍內(nèi)的流域，以平衡計(jì)算精確度和計(jì)算效率。

吊艙推進(jìn)器的計(jì)算域如圖2 所示。當(dāng)流域中的水以一定的流速?gòu)倪M(jìn)口流向出口時(shí)，因是相對(duì)運(yùn)動(dòng)，吊艙推進(jìn)器可視為在水中向前運(yùn)動(dòng)，從而模擬推進(jìn)器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本文將劃分2 個(gè)圓柱體形狀的計(jì)算域：直徑較大的靜態(tài)域和直徑較小的旋轉(zhuǎn)域。靜態(tài)域包括旋轉(zhuǎn)域、吊臂、艙體和鰭，這些部件在計(jì)算域中不旋轉(zhuǎn)，但螺旋槳將在旋轉(zhuǎn)域中作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。將槳盤面與槳軸中心線的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，以推進(jìn)器螺旋槳的直徑D作為各計(jì)算域的度量單位，設(shè)定靜態(tài)域的直徑為7D，入口距離螺旋槳中心為5D，出口距離螺旋槳中心為8D，整個(gè)靜態(tài)域的長(zhǎng)度為13D；設(shè)定旋轉(zhuǎn)域的直徑為1.1D，長(zhǎng)度為0.375D。

圖2 吊艙推進(jìn)器的計(jì)算域Fig. 2 Computational domain of podded propulsor

建立計(jì)算域之后，即可對(duì)旋轉(zhuǎn)域和靜態(tài)域分別采用布爾減運(yùn)算，以形成旋轉(zhuǎn)域體和靜態(tài)域體。由于螺旋槳附近流體的流動(dòng)較復(fù)雜，旋轉(zhuǎn)域體內(nèi)的網(wǎng)格對(duì)計(jì)算結(jié)果精度的影響較大，所以需對(duì)旋轉(zhuǎn)域體網(wǎng)格進(jìn)行加密。相對(duì)較大的靜態(tài)域體中的流體流動(dòng)較簡(jiǎn)單，可以適當(dāng)增加網(wǎng)格尺寸，以減少網(wǎng)格數(shù)量，從而提高計(jì)算效率。除了劃分體網(wǎng)格之外，還需對(duì)螺旋槳葉片和各交界面的面網(wǎng)格，以及葉緣線網(wǎng)格進(jìn)行劃分和局部加密。通過(guò)控制全局尺度，改變網(wǎng)格設(shè)置參數(shù)，以平均相對(duì)誤差（即各進(jìn)速系數(shù)下仿真值與試驗(yàn)值相對(duì)誤差的平均值）作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，本文對(duì)模型開展了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)，結(jié)果如圖3 所示。

2.1 基線資料比較 藏族與漢族患兒的性別比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)；藏族與漢族DDH患兒初次診治年齡對(duì)比差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P<0.05)。藏族與漢族患兒在不同年齡段內(nèi)的發(fā)病情況比較差異無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義(P>0.05)。見表1。

圖3 不同網(wǎng)格數(shù)量的計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig. 3 Comparison of calculation results of different grid numbers

由圖3 可知，隨著網(wǎng)格數(shù)量的增加，螺旋槳的推力系數(shù)KT、轉(zhuǎn)矩系數(shù)10KQ、敞水效率η 三者的平均相對(duì)誤差均會(huì)減小。當(dāng)網(wǎng)格數(shù)從88 萬(wàn)增加至160 萬(wàn)時(shí)，KT，10KQ，η 的平均相對(duì)誤差的計(jì)算值分別為4.8%，4.4%，4.5%，而實(shí)際仿真結(jié)果的變化率則在2%以內(nèi)，因此最終確定網(wǎng)格數(shù)為88 萬(wàn)，其中靜態(tài)域和旋轉(zhuǎn)域的網(wǎng)格數(shù)分別為59 萬(wàn)和29 萬(wàn)。計(jì)算域、吊艙推進(jìn)器模型和螺旋槳表面的網(wǎng)格劃分情況如圖4 所示。

圖4 計(jì)算域、推進(jìn)器、螺旋槳的網(wǎng)格劃分Fig. 4 Grid division of computational domain, propulsor and blade

2.3 邊界條件及計(jì)算參數(shù)設(shè)置

在靜態(tài)域入口處，由于速度恒定而壓力梯度為0，所以將入口設(shè)置為速度進(jìn)口；在靜態(tài)域出口處，由于流體是充分發(fā)展的，因此邊界處的速度和壓力梯度均為0。為了便于計(jì)算，本文將靜態(tài)域外表面設(shè)置為對(duì)稱平面，對(duì)于旋轉(zhuǎn)域中的流體，則采用多重參考系運(yùn)動(dòng)模型進(jìn)行計(jì)算。當(dāng)流體作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，螺旋槳以x軸作為旋轉(zhuǎn)軸。吊艙推進(jìn)器螺旋槳的壁面為滑移壁面，流體相對(duì)于槳葉的速度為0，但其他部件為非滑移壁面。邊界條件及計(jì)算參數(shù)設(shè)置如表2 所示。

表2 邊界條件及計(jì)算參數(shù)的設(shè)置Table 2 Setting of boundary conditions and calculation parameters

2.4 試驗(yàn)驗(yàn)證

本文按照表1 參數(shù)制作了吊艙推進(jìn)器試驗(yàn)?zāi)Ｐ停▓D5），在上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所深水拖曳水池中開展推進(jìn)器敞水性能試驗(yàn)。推進(jìn)器吊艙艙體安裝于Z 型自航儀下方，其動(dòng)力經(jīng)自航儀中的垂直傳動(dòng)軸傳遞給水平驅(qū)動(dòng)軸，2 根軸之間采用齒輪傳動(dòng)。安裝在吊艙體中的水平驅(qū)動(dòng)軸連接試驗(yàn)螺旋槳，其水平軸線浸深大于1.5D。將自航儀的豎直軸連接至六分力天平，即可獲取整個(gè)吊艙推進(jìn)單元的推力值。在螺旋槳的推力軸線上配備了精度較高的動(dòng)力儀，用于測(cè)量螺旋槳的推力和扭矩。此外，在吊艙體與自航儀之間還設(shè)置有壓浪板。

圖5 吊艙推進(jìn)器模型及安裝狀態(tài)Fig. 5 The model of podded propulsor and assembly state

在進(jìn)行敞水試驗(yàn)時(shí)，利用動(dòng)力儀測(cè)試各進(jìn)速下的螺旋槳推力T和螺旋槳轉(zhuǎn)矩Q，即可換算得到螺旋槳的敞水性能系數(shù)。

式中：J為進(jìn)速系數(shù)；V為來(lái)流速度；N為螺旋槳轉(zhuǎn)速。

進(jìn)速系數(shù)J的取值范圍是0.05～0.85，不同進(jìn)速系數(shù)下推進(jìn)器敞水性能系數(shù)的對(duì)比結(jié)果如圖6所示，其中下標(biāo)sim 和test 分別表示仿真結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果。由圖6 可知：螺旋槳推力系數(shù)KT和扭矩系數(shù)KQ的誤差很小，最大誤差為5.7%；小進(jìn)速時(shí)，螺旋槳效率η 的仿真值與試驗(yàn)值吻合較好，但隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，兩者的相對(duì)誤差也隨之增加，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)超過(guò)0.7 時(shí)，相對(duì)誤差超過(guò)了5%。究其原因，大進(jìn)速時(shí)推力系數(shù)和扭矩系數(shù)均較小，兩者計(jì)算得到的效率將進(jìn)一步放大相對(duì)誤差。總體而言，本文仿真方法的精度較高，可以滿足吊艙推進(jìn)器性能的仿真要求。

圖6 螺旋槳敞水性能的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Fig. 6 Comparison of open water performance between simulation results and test results of propeller

3 吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力特性

3.1 云圖特征分析

本節(jié)將基于進(jìn)速系數(shù)J=0.7 時(shí)推進(jìn)器的壓力云圖、速度分布圖和流場(chǎng)速度矢量圖，進(jìn)一步分析吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能。

螺旋槳的壓力分布如圖7 所示。從左圖的葉背壓力分布可見，在導(dǎo)邊處分布有藍(lán)色區(qū)域，導(dǎo)邊中間區(qū)域的顏色最深。其中，藍(lán)色區(qū)域代表負(fù)壓力區(qū)，這說(shuō)明導(dǎo)邊處為吸力，且最大吸力位于導(dǎo)邊的中間區(qū)域；導(dǎo)邊到隨邊的顏色從藍(lán)色逐漸過(guò)渡到黃綠色，這說(shuō)明吸力從導(dǎo)邊向隨邊逐漸減小，且各槳葉葉背的大部分區(qū)域均為吸力面。從圖7右圖的葉面壓力云圖可見，在葉片導(dǎo)邊處分布著黃橙色區(qū)域，在靠近葉根的后部顏色最深。其中，黃橙色代表正壓力區(qū)，這說(shuō)明葉片的導(dǎo)邊處為壓力，即提供吊艙推進(jìn)器的前進(jìn)推力，且最大壓力位于導(dǎo)邊靠近葉根的后部區(qū)域；葉面的大部分區(qū)域均為壓力，從導(dǎo)邊向隨邊逐漸減小。綜上所述，該吊艙推進(jìn)器螺旋槳的推力主要由葉片導(dǎo)邊處產(chǎn)生，且葉面為壓力面，葉背為吸力面。

圖7 槳葉壓力云圖Fig. 7 Pressure contours of blade

圖8 所示為艙體表面的壓力分布。由圖可知，作用于艙體、吊臂和鰭表面的力基本上都是正壓力，但在鰭的最前端和最后端均出現(xiàn)了少量藍(lán)色區(qū)域，這說(shuō)明還產(chǎn)生了吸力，可能是尾流的伴流效應(yīng)所致。艙體兩側(cè)的壓力基本為平衡分布，但吊臂兩側(cè)的壓力分布卻并不對(duì)稱，其左側(cè)最前端區(qū)域?yàn)檎龎毫Γ覀?cè)最前端區(qū)域?yàn)樨?fù)壓力，且吊臂左側(cè)尾部區(qū)域的負(fù)壓區(qū)明顯大于右側(cè)，兩側(cè)存在的壓力差可能是螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的尾流通過(guò)吊臂兩側(cè)導(dǎo)流至尾部時(shí)的流速不同所致。總體而言，艙體、吊臂和鰭基本上都不提供推力，僅產(chǎn)生阻力。

圖8 吊艙表面壓力云圖Fig. 8 Pressure contours of pod surface

圖9 和圖10 所示分別為吊艙推進(jìn)器表面速度的分布和流場(chǎng)速度矢量分布。由圖可以看出，螺旋槳葉梢的速度最大，從葉梢向葉根逐漸減小，而吊臂、艙體和鰭的速度相對(duì)于槳葉而言相對(duì)較小，這也與上述壓力分布相互印證。

圖9 表面速度分布云圖Fig. 9 Contours of surface velocity

圖10 流場(chǎng)速度矢量云圖Fig. 10 Contours of flow field velocity vector

3.2 艙體形狀的影響分析

為了進(jìn)一步研究吊艙艙體的形狀對(duì)整個(gè)推進(jìn)器水動(dòng)力性能的影響，以表1 模型為母型，將艙體的長(zhǎng)徑比（即推進(jìn)器艙體長(zhǎng)度與艙體最大直徑之比）分別調(diào)整為母型的1.2 倍和0.8 倍，且螺旋槳參數(shù)不變，得到如圖11 所示的推進(jìn)器敞水性能仿真結(jié)果。當(dāng)?shù)跖撏七M(jìn)器的艙體形狀改變之后，其推力系數(shù)KT、轉(zhuǎn)矩系數(shù)KQ和敞水效率η 的變化值都很小，所以從艙體長(zhǎng)徑比的角度研究吊艙推進(jìn)器敞水性能的潛力較小；但艙體形狀會(huì)使推進(jìn)器阻力發(fā)生較大的變化，故后續(xù)可以從減小吊艙推進(jìn)器阻力的角度進(jìn)一步研究。

圖11 艙體形狀對(duì)推進(jìn)器敞水性能的影響Fig. 11 Effect of pod geometry on open water performance of the propulsor

3.3 螺旋槳盤面比的影響分析

由于螺旋槳盤面比的變化將導(dǎo)致弦長(zhǎng)、葉厚等一系列參數(shù)隨之變化，故在優(yōu)化吊艙推進(jìn)器設(shè)計(jì)時(shí)，槳的盤面比是一個(gè)常用的設(shè)計(jì)考量參數(shù)。本節(jié)以表1 模型為母型（盤面比為0.67），在保證其它參數(shù)不變的條件下，僅改變槳的盤面比，使其分別為0.5 和0.8，然后分別計(jì)算吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能，仿真對(duì)比結(jié)果如圖12 所示。

由圖12 可見，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)一定時(shí)，隨著盤面比的增加，吊艙推進(jìn)器的推力系數(shù)和敞水效率均先增后減；當(dāng)進(jìn)速系數(shù)小于0.75 時(shí)，盤面比為0.8 的吊艙推進(jìn)器的敞水效率最低。對(duì)于轉(zhuǎn)矩系數(shù)而言，當(dāng)進(jìn)速系數(shù)小于0.45 時(shí)，盤面比越大，轉(zhuǎn)矩系數(shù)越大；當(dāng)進(jìn)速系數(shù)大于0.45 時(shí)，隨著盤面比的增加，轉(zhuǎn)矩系數(shù)先增后減。由此可知，在進(jìn)行吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能優(yōu)化時(shí)，螺旋槳的盤面比并非越大越好，應(yīng)根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇合適的盤面比。

圖12 螺旋槳盤面比對(duì)推進(jìn)器敞水性能的影響Fig. 12 Effect of disk ratio on open water performance of the propulsor

3.4 螺旋槳葉數(shù)的影響分析

通常而言，螺旋槳葉數(shù)越少，推進(jìn)效率越高，但是不同槳葉數(shù)在不同進(jìn)速下對(duì)于吊艙推進(jìn)器敞水性能的影響規(guī)律也有所不同。為此，本節(jié)以表1模型為母型，僅改變吊艙推進(jìn)器螺旋槳的槳葉數(shù)量（4 葉、5 葉和6 葉），對(duì)比分析不同槳葉數(shù)對(duì)吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能的影響，仿真結(jié)果如圖13所示。由圖可見，在進(jìn)速系數(shù)一定時(shí)，隨著槳葉數(shù)的增加，吊艙推進(jìn)器的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和敞水效率均先增后減，但螺旋槳葉數(shù)的變化對(duì)低進(jìn)速系數(shù)下吊艙推進(jìn)器敞水效率的影響較小；隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，葉數(shù)對(duì)敞水效率的影響也隨之逐漸增加。

圖13 螺旋槳葉數(shù)對(duì)推進(jìn)器敞水性能的影響Fig. 13 Effect of blade number on open water performance of the propulsor

4 結(jié) 論

本文研究了吊艙推進(jìn)器結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其敞水性能的影響規(guī)律，得到如下主要結(jié)論：

1）深水拖曳水池的推進(jìn)器敞水性能試驗(yàn)結(jié)果表明，基于RANS 理論的吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力特性仿真方法具有較高的精度。

2）螺旋槳的葉背為吸力面，葉片為壓力面，且壓力和吸力均從導(dǎo)邊向隨邊逐漸減小。吊艙、支架和鰭基本上不提供推力，吊艙兩側(cè)壓力基本呈平衡分布，但支架兩側(cè)的壓力分布并不對(duì)稱。

3）艙體長(zhǎng)徑比對(duì)吊艙推進(jìn)器敞水性能的影響較小，但會(huì)使推進(jìn)器阻力發(fā)生較大的變化；當(dāng)螺旋槳的盤面比增加時(shí)，吊艙推進(jìn)器的推力系數(shù)和敞水效率均先增后減，而轉(zhuǎn)矩系數(shù)則僅在一定范圍內(nèi)隨之增加，當(dāng)超過(guò)一定范圍后也是先增后減；當(dāng)槳葉數(shù)增加時(shí)，推進(jìn)器的推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)和敞水效率均先增后減，且槳葉數(shù)對(duì)低進(jìn)速系數(shù)下吊艙推進(jìn)器敞水效率的影響較小，隨著進(jìn)速系數(shù)的增加，其影響將會(huì)逐漸增加。