氣墊船推進裝置氣動力優化與模型試驗研究

褚胡冰，楊衛國，陳昱希

(1. 中國船舶集團有限公司第七〇八研究所，上海 200011；2. 海軍裝備部駐上海地區第八軍事代表室，上海 200011)

0 引 言

氣墊船是一種利用墊升風機和圍裙氣墊系統將船體全部或部分抬離水面，從而大幅減小船體水動阻力，再利用空氣螺旋槳推進，實現貼水高速航行的高性能船舶[1]。空氣螺旋槳的推進性能直接決定了氣墊船的航速、越阻力峰能力等總體性能[2]。隨著氣墊船總體性能的不斷提升，對空氣螺旋槳推進性能的要求也越來越高。高性能氣墊船的空氣螺旋槳外部一般都安裝有導管，形成導管空氣螺旋槳構型。導管不僅可以保護空氣螺旋槳的運行安全，屏蔽部分氣動噪聲，還能對空氣螺旋槳產生有利的氣動干擾，提升其推進效率。在導管空氣螺旋槳構型中，導管的幾何外形直接決定了導管自身以及整個推進裝置的氣動性能，進而影響推進效率。導管氣動力優化設計也因此成為氣墊船高性能推進裝置研制過程中的一項重要內容[3]。

針對導管外形的氣動力設計與優化，國內外學者開展了大量研究工作。Y?lmaz 等[4]基于風洞試驗方法，研究了不同導管形狀對某導管空氣螺旋槳推進性能的影響，得到了一些重要結論。葉坤等[5]基于數值仿真和等效槳盤面方法，開展了某函道飛行器的導管外形優化設計，證明了優化導管外形對于改善推進裝置氣動性能的積極作用。褚胡冰等[6]基于參數化建模和優化搜索算法，建立了某氣墊船導管空氣螺旋槳氣動力優化設計方法，并開展了導管最優化設計工作。

本文以某氣墊船推進裝置為研究對象，以保持其主尺度和功率需求不變為前提，開展導管外形優化設計，盡可能提升推進效率，有效滿足該氣墊船越阻力峰和高海況航行時的推力需求。采用參數化建模、試驗設計、數值仿真、風洞試驗等多種研究手段有機結合的設計方法，充分驗證理論優化方案的有效性，有效化解技術風險，為最終實現優化導管方案裝船應用奠定基礎。

1 研究對象

本文研究的某氣墊船推進裝置采用導管空氣螺旋槳構型，其幾何外形和主要部件組成如圖1 所示。該推進裝置包括槳葉、導管、槳根整流罩三部分。空氣螺旋槳采用4 葉等寬度葉片設計，空氣螺旋槳外部加裝有導管，槳葉葉梢與導管內壁面的最小間隙為5‰槳葉直徑。

圖 1 某氣墊船推進裝置方案Fig. 1 Propulsion system of a hovercraft

2 研究方法

2.1 推進性能預報方法概述

在導管外形優化設計過程中，需要預報配置不同導管外形方案的推進裝置氣動性能，從中篩選出性能更好的設計方案。

目前預報導管空氣螺旋槳推進裝置氣動性能的方法主要有理論計算[7]、數值仿真[8]、模型試驗[9]等。理論計算方法如葉素理論是快速確定導管空氣螺旋槳主要設計參數的有效方法，在導管空氣螺旋槳初步方案設計中發揮重要作用。但該方法預報精度相對較差，且往往很難給出流場細節信息，不適于精細化設計。風洞試驗在很長一段時間內是研究導管空氣螺旋槳推進裝置氣動力特性和流動機理的主要手段，在確定設計方案的有效性方面具有不可替代的作用。但風洞試驗準備周期長，經費需求大，不宜依托該方法開展大量的方案優選工作，而更適合對某一設計方案進行性能確認。數值仿真則是伴隨著計算機技術的進步而發展起來的一種新的氣動性能預報方法，其優點在于可以通過大規模并行計算進行廣泛的參數優選，從而提高優化設計效率，且該方法可以給出詳細的流場信息，對于指導優化設計具有重要參考價值。

基于以上幾種研究方法的優缺點，為兼顧設計周期、預報精度和研究結果可信度，本文主要采用數值仿真與模型試驗相結合的方法開展導管外形優化設計。首先，依托數值仿真方法開展導管外形理論優化設計，形成理論優化方案；然后，基于理論優化方案，設計制作縮尺試驗模型，開展風洞試驗研究，進一步驗證理論優化效果。

2.2 數值仿真方法

本文數值仿真主要采用求解雷諾平均N-S 方程的方法來獲得整個推進裝置的流場以及各部件的流動特性，并通過數值積分得到整個推進裝置以及各部件的宏觀氣動力。

在本文研究的導管空氣螺旋槳推進裝置中，槳葉和槳根整流罩的前部為運動部件，其他部件則為靜止部件，其氣動性能預報屬于動靜結合問題求解。為準確模擬導管空氣螺旋槳運動部件和靜止部件之間的耦合流動，提高數值預報精度，計算過程中引入了多重參考法MRF[10]。此外，為提高計算效率，數值仿真過程中采用定常方法[11]求解雷諾平均N-S 方程。具體方法和計算過程為：將槳葉和槳根整流罩前部等運動部件所在的流場計算域劃分為運動域，其他區域則劃分為靜止域；在運動域上定義旋轉坐標系，在靜止域上定義靜止坐標系。計算過程中，2 個計算域均基于本域內的坐標系同步進行流場求解，每一步計算完成后，2 個計算域再通過兩者之間的公共邊界（交界面）進行流場信息交換，以保證全流場域的通量守恒。

數值計算過程中用到的邊界條件主要有：無滑移絕熱壁面、流量入口、壓力出口、交界面等。數值計算域劃分和邊界條件定義如圖2 所示。

圖 2 計算域劃分和邊界條件定義Fig. 2 Flow field division and boundary conditions definition

由于本文研究的導管空氣螺旋槳推進裝置的槳葉與導管之間存在較為強烈的氣動耦合，且計算域中存在壓力梯度變化較大的區域，為增強對流場細節的捕捉能力，提高數值仿真預報精度，所有部件周圍的流場域以及部件表面均采用六面體結構網格進行離散，同時對各部件表面以及流場變化劇烈的區域進行網格加密處理。整個計算域的網格節點總數約600 萬，網格生成效果如圖3 所示。

圖 3 計算域網格劃分Fig. 3 Grids generation of the flow field

2.3 模型試驗方法

本文推進裝置模型試驗主要是在風洞中開展帶螺旋槳動力的氣動力測量試驗，得到導管和整個推進裝置的推力、功率、推進效率等參數，為分析氣動性能和驗證理論優化設計方案的有效性提供數據支撐。

模型氣動力測量試驗在某低速開口式回流風洞中進行，該風洞流場品質滿足GJB1179A-2012《低速風洞和高速風洞流場品質要求》[12]相關規定。

為準確掌握導管外形優化對導管自身以及整個推進裝置氣動性能的具體影響，在試驗模型的導管底部和整個試驗裝置支撐臺上各安裝1 個6 分量測力天平。同時為準確測得螺旋槳的軸功率，在推進軸系中段還安裝有扭矩傳感器，兩端用膜片聯軸器與推進軸系相連。試驗裝置和氣動力測量方案如圖4 所示。

在本文的推進裝置氣動性能測量試驗中，試驗臺架在對試驗模型和測量設備起輔助支撐作用的同時，也會帶入額外的氣動阻力，從而對試驗結果造成一定干擾。因此在帶螺旋槳動力的推進裝置氣動力測量試驗完成之后，還需進行試驗臺架氣動力干擾扣除試驗，以便修正試驗數據。臺架干擾扣除試驗方法參照GJB 6753-2009《旋槳飛機帶動力模型低速風洞試驗方法》[13]進行。

3 導管外形優化設計

3.1 導管外形參數化方法

在導管外形優化過程中，為方便生成新的導管外形，需對導管原始外形進行參數化建模，然后通過控制相關造型參數重構導管幾何外形。目前參數化建模方法主要有B 樣條法、擾動函數法、Parsec 特征參數法、CST 基函數法等[14]。本文采用B 樣條法[15]對導管原始外形進行參數化。

圖5 為采用B 樣條法重構的導管幾何外形與原始外形的對比。圖中x/c為無量綱導管剖面長度，y/c為無量綱導管剖面高度。可以看出，通過在導管剖面上下表面設置15 個控制點，重構的導管外形與原始外形的重合度已經非常好。而在導管外形優化過程中，保持其剖面前后緣處的3 個控制點參數不變，只調整中間的12 個控制點參數（上下表面各6 個），以此來獲得不同的導管外形，如圖6 所示。

圖 5 基于B 樣條法的導管外形重構效果Fig. 5 Rebuilding effect of the duct shape by B-Spline method

圖 6 變化B 樣條控制點產生的不同導管外形Fig. 6 Different duct shapes generated by adjusting the B-Spline control parameters

3.2 優化設計方法

為獲得較好的優化設計效果，同時盡可能提高優化設計效率，需在給定的設計變量變化范圍以盡可能少的樣本點數量生成更為合理的控制參數分布。為此，基于試驗設計方法DOE[16]生成樣本點，并根據各樣本點變量值重構導管幾何外形，再對配置不同導管外形的推進裝置氣動性能進行仿真計算，從中篩選出氣動性能更好的方案。導管外形優化的基本流程如圖7所示。

圖 7 導管外形優化流程圖Fig. 7 Flowchart of duct shape optimization

3.3 優化設計結果與分析

基于優化設計方法，篩選出導管外形若干優化方案。帶優化導管的推進裝置在額定功率下的推進性能與原設計方案的對比見表1。為方便比較，表中所有方案均取相同的螺旋槳吸收功率，并采用無量綱化表達。其中：J為進速比；CTD為導管推力系數；CT為總推力系數；CP為功率系數；V為自由來流速度，m/s；n為螺旋槳轉速，r/min；D為螺旋槳直徑，m；ρ為空氣密度，kg/m3；T為推進裝置總推力，N；P為螺旋槳吸收功率，W。進速比J、推力系數CT和CTD、功率系數CP的具體定義如下：

表 1 典型導管外形優化方案的推進性能比較Tab. 1 Propulsion performance comparison with different duct shapes

從表1 可以看出：優化導管外形可以提高導管空氣螺旋槳裝置的推進效率；在額定功率系數CP=0.479 時，最優方案的導管推力增加了約21%，整個推進裝置的總推力則提高了近3%。對于氣墊船而言，阻力峰處的推力儲備在2.5%以上時可有效保證其越峰性能。本文在保持推進裝置的主尺度和功率消耗不變的情況下，通過導管外形優化獲得了近3%的總推力增益，這對于改善該氣墊船的越阻力峰性能意義重大。

從表1 還能看出：導管推力系數越大的優化方案，其所對應的推進裝置總推力系數和產生的總推力增益也越大。由此可見，導管外形優化對于提升導管自身以及推進裝置氣動性能的積極作用。

圖8 進一步給出了導管外形優化方案（優化方案8）與原始方案的幾何外形對比。可以看出，優化導管的剖面外形整體上拱度更大，且在前緣附近的幾何外形也更為飽滿。結合圖9 導管表面壓力分布對比可知，上述變化使得導管前緣附近產生了更大的負壓區和負壓值，從而帶來了宏觀氣動力的積極改變，為產生更大的導管推力和總推力增益創造了有利條件。

圖 8 導管優化前后的外形比較Fig. 8 Comparison of the duct shape before and after optimization

圖 9 導管優化前后的表面壓力分布比較Fig. 9 Comparison of pressure distribution on the duct before and after optimization

4 風洞試驗研究

4.1 風洞試驗過程

為驗證導管外形理論優化方案的有效性，有效化解技術風險，為最終實現優化導管方案裝船應用奠定基礎，進一步開展推進裝置縮尺模型氣動性能風洞試驗研究工作。

風洞試驗基本過程如下：首先在試驗模型上安裝原始導管，開展不同槳葉轉速和槳距角下的推進裝置氣動力測量試驗，得到導管以及整個推進裝置的氣動力參數。完成上述試驗之后，保持試驗模型其他部件不變，換裝優化導管，再次進行氣動力測量試驗。通過對比相同狀態下的2 次試驗結果，得到導管優化外形。

4.2 試驗與仿真結果對比

為更好地分析數值仿真和模型試驗2 種方法的研究結果，將相同狀態下兩者預報的風洞試驗模型推力和功率參數進行對比分析，結果如圖10 所示。可以看出，2 種研究方法給出的優化導管外形對于改善導管和整個推進裝置氣動性能的影響規律吻合良好，證明了導管外形優化的有效性。絕對量值上，風洞試驗預報的導管外形優化效果要更好一些，尤其是在高功率狀態下，風洞試驗給出的推力收益比數值仿真更為明顯。

圖 10 風洞試驗與數值仿真預報的導管外形優化效果對比Fig. 10 Comparison of aerodynamic performance predicted by numerical simulation and wind tunnel test

5 結 語

本文通過對某氣墊船推進裝置導管外形的優化設計，提升推進效率，提高推力裕度，增強了越阻力峰的能力，顯示導管外形優化設計的良好效果和重要性，主要研究結論如下：

1）基于B 樣條參數化方法對導管外形進行參數化造型，并通過合理布置B 樣條控制點數目和控制點的分布位置，可以獲得良好的導管外形重構效果。而通過改變B 樣條控制點參數和控制點位置，可以生成豐富的導管外形變化效果，為獲得更好的優化設計效果奠定基礎。

2）通過合理選取B 樣條控制點數目，結合試驗設計方法DOE，可以在保證優化設計效果的前提下有效減小優化所需的樣本點數量，從而提高優化設計的效率。

3）采用數值仿真和模型試驗相結合的方法開展導管外形優化設計，不僅提高了優化設計效率，也提高了優化設計結果的可信度，有效化解技術風險，為最終實現導管優化方案實船應用提供了有力的技術支撐和可靠依據。

4）本文所提出的優化設計方法具有較強的通用性，也可為其他產品的氣動力優化設計提供借鑒與參考。