基于流固耦合相互作用的复合材料螺旋桨性能研究

曾志波，姚志崇，王玮波，丁恩宝

（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

基于流固耦合相互作用的复合材料螺旋桨性能研究

曾志波，姚志崇，王玮波，丁恩宝

（中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

开展复合材料螺旋桨流固耦合相互作用分析，为复合材料螺旋桨设计提供思路，有利于进一步提高螺旋桨的性能。文章进行了螺旋桨二维弹性剖面静力学分析，进而对不同几何复合材料桨叶的流固耦合作用特性做了数值计算比较研究，在此基础上，通过与对应的刚性螺旋桨的比较计算分析，研究了在多工况下的复合材料螺旋桨水动力性能影响，探索了在来流变化过程中复合材料螺旋桨的振动性能。文中研究得出了一些有意义的结论，为复合材料螺旋桨设计及应用奠定了基础。

复合材料螺旋桨；流固耦合；水动力效率；振动

1 引 言

在航空领域，复合材料飞机机翼通过气动弹性剪裁设计可有效地改善飞行品质，提高颤振速度，改善操纵品质，减缓机动载荷，改善升阻比特性，以及极大地提高前掠翼机翼的发散速度，这种飞机结构优化设计已经工程实用化[1-2]。在船舶领域，欧共体多国的研究者在九十年代末期发起了船用复合材料螺旋桨的计划，确认了该类螺旋桨巨大的商业价值，如德国A.I.R公司已有400多个该类型桨在游艇上被采用[3-4]；进入21世纪，英国科学技术组织QinetiQ历时三年，成功设计、制造了一个直径为2.9 m的复合材料船用螺旋桨，并取得了海上试验成功[5]。美国海军于2004年春季开始了一个三年的评估计划，以正确评价与复合材料螺旋桨叶片有关的设计、生产和性能问题。目前据报道，德国针对某常规潜艇已开展了碳纤维复合材料实桨方案性能测试研究。

早期对复合材料螺旋桨流固耦合性能的研究是在1996年，Lin等[6-7]发展了考虑流固耦合的3D FEM/VLM方法，并用于螺旋桨水动力性能分析，随后，Lin等[8]进一步完善计算方法，1997年研究了材料铺层对水弹性性能影响[9]，2004年增加了遗传算法，进行材料铺层优化设计[10]，2005年增加了应力评估和疲劳标准[11]。Lee12]也进行了类似的复合材料螺旋桨优化设计。在以上研究中，仅限于定常情况下的桨叶变形分析，没有计及流场非均匀性的影响。ONR最近也投资了三个项目进行了计算和试验研究。Young等[13]和Chen等[14]于2006年进行了复合材料螺旋桨设计、试验以及加工的初步研究，在他们的计算研究中考虑流固耦合特性以及非均匀伴流的影响，并进行了试验验证。Young等[15-16]采用面元法和有限元法分析了复合材料螺旋桨流固耦合特性，在假定的“十”字形非均匀尾流条件下，计算了桨叶振动特性，由模型试验测试到了分析桨的振动频率，其详细数据尚未公开。Young等[17]还进行了复合材料的正交性对螺旋桨水弹性性能的影响研究。近两年来，Motley等[18-19]针对复合材料节能性能做了分析研究，提出了基于性能的自适应复合材料螺旋桨设计概念。

本文首先进行了复合材料二维弹性剖面静力学分析，然后采用流固耦合分析技术对不同桨叶几何的流固耦合作用特性做了比较研究，最后通过与刚性螺旋桨性能的比较，对复合材料多工况水动力性能以及来流变化过程中复合材料螺旋桨的振动性能进行了初步研究，为复合材料螺旋桨设计与应用做了铺垫。

2 复合材料螺旋桨二维弹性剖面模型

螺旋桨三维结构几何在对应外载荷作用下发生流固耦合变形，其变形规律可采用简化的二维弹性剖面模型进行定性分析。为了提高空泡性能，船舶螺旋桨广泛采用大盘面比桨叶，在简化的二维剖面模型中除了攻角的变化，其翼型也发生变化，主要表现在剖面拱度的变化。

2.1 攻角

图1为气动弹性分析中的简化二维机翼分析模型[20]，在弹性静力学分析中有如下规律：

其中：θ为机翼弹性扭转角；θr为攻角为α0条件下，不考虑剖面扭转引起的附加气动力作用下的机翼扭转角；q为来流动压，S为机翼面积，e为气动中心与刚心的距离，刚心在气动中心之后为正，CL为升力系数，Kθ为扭转刚度，MA为绕气动中心的力矩，即与攻角无关的力矩。弹性作用后的机翼攻角 α=α0+θ。

侧斜螺旋桨根据侧斜方向不同可分为：前侧斜螺旋桨和后侧斜螺旋桨。目前，船舶螺旋桨大多采用后侧斜螺旋桨，对于前侧斜螺旋桨也有学者研究其对梢涡空泡起始性能的影响[21]。

图1 二维机翼弹性模型Fig.1 A hydroelastic model for a 2-D hydrofoil

2.2 翼型

对于大盘面比的复合材料船用螺旋桨叶片，在流固耦合作用下除了螺距角变化外，由于螺旋桨剖面结构以及外载荷分布在弦向上的变化，使得剖面发生变形，如图2所示，其中剖面拱度变化较大。一般由于随边厚度相对导边较小，变形较大，这样剖面拱度呈变小趋势。

图2 翼型的变化Fig.2 The change of profile

3 复合材料螺旋桨几何参数比较分析

为研究复合材料螺旋桨不同弦长、厚度、侧斜以及剖面叶型等参数对变形及水动力的影响，本文采用在文献[22]中建立的流固耦合数值分析方法，选取直径为0.88 m，纵倾为0的五叶螺旋桨进行计算分析。计算中选取的复合材料属性来自文献[23]中Soden（1998）针对AS4 Carbon/3501-6碳纤维复合材料的试验数据，其参数如表1所示。复合材料螺旋桨铺层均为[30/-30/90/-90/30]s的对称铺层方式，各桨工作条件为进速系数J=0.975，转速N=970 r/min。

表1 AS4 Carbon/3501-6碳纤维复合材料属性Tab.1 Material properties of AS4 Carbon/3501-6

3.1 弦长

螺旋桨弦长是决定螺旋桨盘面比的重要参数，弦长越大，盘面比越大，螺旋桨空泡性能越好，但是摩擦阻力增加，效率越低。弦长对于复合材料螺旋桨流固耦合性能的影响除改变水动力外载荷的分布外，也改变了结构性能。

图3为两桨在未变形前的弦长分布（小弦长：C/D_1；大弦长：C/D_2），并保持其它参数，如厚度，螺距和侧斜等不变。对两只复合材料螺旋桨进行流固耦合分析，图4为变形分布比较，可以看出：通过流固耦合作用后，两桨最大变形比较接近，但是变形的分布有较大区别，大弦长螺旋桨的变形更集中在靠近梢部随边。图5为两桨在变形前后的水动力性能比较。两桨在流固耦合相互作用下水动力负荷均减小，其主要原因是变形使得螺距和拱度减小。对于小弦长复合材料螺旋桨,变形使得推力和扭矩的减小量分别为11.3%和12.4%，效率增加了0.9%；大弦长螺旋桨推力和扭矩减小量分别为19.9%和20.2%，效率增加了0.2%。

图3 不同螺旋桨弦长分布Fig.3 Different chord distribution of propeller

图4 不同弦长复合材料螺旋桨变形图（左：C/D_1；右：C/D_2）Fig.4 The comparison on deformation distribution of composite propeller(left:C/D_1;right:C/D_2)

上述比较分析表明：弦长变化，复合材料桨叶变形分布随之变化，从而影响各剖面攻角及翼型的不同变化；弦长越长，变形越集中于梢部随边，从而带来更大的水动力变化。

图5 不同弦长复合材料螺旋桨变形前后水动力性能比较Fig.5 The comparison on hydrodynamic performance of undefromed and defromed composite propellers with different chordlength

3.2 侧斜

螺旋桨侧斜是改善螺旋桨性能的一个重要参数，特别是螺旋桨激振性能。对于复合材料螺旋桨，由于侧斜分布会改变二维剖面模型刚心的位置，因此将对复合材料螺旋桨流固耦合性能产生显著影响。

本文进行了无侧斜复合材料螺旋桨与采用图6中后侧斜分布的复合材料螺旋桨流固耦合特性的比较计算分析。两桨在其他参数，比如厚度，螺距和剖面等保持不变。图7为变形分布比较，可以看出：通过流固耦合作用后，侧斜桨最大变形为无侧斜桨的1.98倍，而且两者的变形分布明显不同，侧斜桨的变形量在外半径区域的变化较大，使得外半径的螺距和拱度变化更加明显。两桨变形后的螺距和拱度减小，而对于无侧斜桨的减少量相对要小得多。

图8为两桨在变形前后的水动力变化情况，对于无侧斜复合材料螺旋桨,变形使得推力和扭矩减小，减小量分别为2.4%和3.0%，效率增加了0.4%；后侧斜螺旋桨推力和扭矩减小量较大，分别为13.8%和14.4%，效率增加了0.5%。上述比较分析表明：侧斜变化，桨叶变形分布也随之变化，不仅影响剖面攻角的变化，还会带来剖面翼型的变化；相比无侧斜桨，后侧斜桨变形更集中于梢部随边，从而带来更加明显的水动力变化。

图6 螺旋桨侧斜分布Fig.6 The skew distribution of propeller

图7 不同侧斜复合材料螺旋桨变形比较（左图：侧斜为0°，右图：侧斜为25.4°）Fig.7 The comparison on deformation distribution of composite propeller(left:skew is 0°;right:skew is 25.4°)

3.3 剖面

螺旋桨剖面是改善螺旋桨性能，特别是空泡、噪声性能的一个重要参数，复合材料螺旋桨剖面的变形将直接影响桨叶表面压力及流动情况。

本文比较计算了采用常规的NACA剖面和由Eppler方法设计剖面的复合材料螺旋桨流固耦合特性。图9表示NACA66mod+a=0.8以及 Eppler剖面的拱度和厚度分布。相对NACA剖面，Eppler剖面的最大厚度更靠近导边，而最大拱度更靠近随边，使得桨叶负荷向随边区域转移[24]。采用上述两个剖面的复合材料螺旋桨保持其他参数，比如厚度，螺距和侧斜等不变。对两复合材料螺旋桨进行流固耦合分析，图10为流固耦合迭代计算收敛后两复合材料螺旋桨的变形分布，对变形图的比较可以看出：通过流固耦合作用后，Eppler剖面螺旋桨的变形更大一些，其最大变形为NACA剖面螺旋桨最大变形的1.15倍，而且两者表现不同的变形分布。由于Eppler剖面在随边区域厚度较薄，且载荷较大，桨叶的变形更集中于外半径随边区域。

图11分别为两桨在变形前后的水动力变化情况，对于NACA剖面复合材料螺旋桨,变形使得推力和扭矩的减小量分别为6.9%和7.2%，效率增加了0.3%；Eppler剖面螺旋桨推力和扭矩的减小量分别为13.8%和14.4%，效率增加了0.5%，其推力和扭矩的变化量大于NACA剖面螺旋桨，这是由于变形使得螺距及拱度变化量均大于NACA剖面螺旋桨引起的。

图8 不同侧斜复合材料螺旋桨变形前后水动力性能比较Fig.8 The comparison on hydrodynamic performance of undefromed and defromed composite propellers with and without skew

图9 桨叶剖面比较Fig.9 The comparison of thickness and camber distribution of balde section

图10 不同剖面复合材料螺旋桨变形比较（左图：NACA剖面螺旋桨；右图：Eppler剖面螺旋桨）Fig.10 The comparison on deformation distribution of composite propeller(left:with NACA sections;right:with Eppler sections)

图11 不同剖面复合材料螺旋桨变形前后水动力性能比较Fig.11 The comparison on hydrodynamic performance of undefromed and defromed composite propellers with different sections

以上比较分析说明：剖面翼型的变化一方面改变桨叶负荷分布，另一方面桨叶结构也发生了变化，对于Eppler方法设计剖面，螺旋桨水动力负荷集中在靠近随边区域，而且由于随边厚度较NACA剖面螺旋桨更薄，使得螺距和拱度变化较大，从而水动力变化更为显著。

4 复合材料螺旋桨性能研究

4.1 水动力性能

船舶常常工作在多个航速下，如图12为某客船工作航速分布图[25]。针对某一工作点设计的螺旋桨在其他工况下其推进性能将会发生变化，不能在整个服役航速中均达到最佳的性能。另一方面，螺旋桨设计师采用调距的形式进行多工况设计，在多工况下都有较好的工作性能。通过模拟调距桨的工作模式，复合材料螺旋桨具有自适应变形能力，在不同的载荷下将产生不同的变形，这为多工况下螺旋桨性能的提高提供了可能。

图12 某客船工作航速分布图Fig.12 The mission profile of a passenger ship

对采用图6中的前侧斜分布的五叶复合材料螺旋桨进行了不同工况下（进速系数J=1.1、1.2、1.3，转速n=970 r/min）的水动力性能在变形前、变形后以及桨在J=1.3时变形桨叶作为刚性桨的计算，复合材料属性见表1所示。

图13为复合材料螺旋桨在各进速系数下流固耦合相互作用收敛后几何，右图给出了螺距分布变化。从图中可以看出：复合材料螺旋桨在各进速系数下的变形均使得螺距变大，而且进速越小，负荷越大，变形量越大，螺距增加也越大。在外载荷作用下，前侧斜螺旋桨变形分布表现为导边的变形量大于随边的变形量，使得螺距增加，而且进速系数越小，导边区域的负荷越大，导边相对随边变形越大，螺距增加越大。

图13 前侧斜复合材料螺旋桨不同进速下的变形（左：三维变形；右：螺距分布变化）Fig.13 The deformation of a forward skew composite propeller(left:3-D deformation;right:pitch distribution difference)

图14为本文计算的前侧斜螺旋桨变形前后的水动力性能变化情况，图中也给出了桨在J=1.3时变形桨叶作为刚性桨在其他进速系数下的计算结果。

相比未变形自然状态的螺旋桨水动力性能，变形桨在进速系数下负荷均增加，而且进速系数越小，桨叶负荷越大，水动力的增加量越大，其中在J=1.3，推力增加量是21%，扭矩增加量是18.9%，到J=1.1时，推力增加量提高到27.9%，扭矩增加量提高到29.2%，变形改变了前侧斜复合材料螺旋桨效率，在进速系数J=1.3时，变形使得效率增加1.3%。

图14 前侧斜复合材料螺旋桨水动力性能比较Fig.14 The comparison of hydrodynamic performance of a forward skew composite propeller

为了比较复合材料桨与刚性桨的水动力性能，图11给出了复合材料桨与刚性桨在各进速系数下的水动力性能。由于在J=1.3时刚性桨与变形复合材料桨几何一样，因此推力及扭矩相同。当进速系数减小，由于复合材料螺旋桨相对变形量增加，因此推力、扭矩将大于刚性桨，而且进速越小，这种增加量越大，在进速系数为J=1.1时，复合材料螺旋桨的推力、扭矩分别比刚性桨大16.7%和17.7%。以上特性说明复合材料螺旋桨通过变形具有增加低速工况负荷的能力，因此可应用于导管桨以提高低速拖曳力及系泊推力。

4.2 振动性能

螺旋桨工作在船尾伴流场中，在运转过程中由于来流的非均匀性，桨叶受力不断地变化产生非定常力，并通过轴系传到船体引起振动。对于复合材料螺旋桨，当来流变化时，变形量随之变化，表现不一样的受力特性，因此可通过精心设计复合材料螺旋桨达到改善螺旋桨振动性能。

对某六叶复合材料螺旋桨在三种不同来流进速（J=0.66，0.73，0.8，转速n=780 r/min）的变形情况进行了水动力计算。图15为三维变形分布及变形前后螺距分布。从图中可以看出：复合材料螺旋桨在外载荷作用下发生了变形，但与图13中前侧斜螺旋桨不同的是变形后螺距变小，而且进速系数越小，螺距减小量越大,这说明当螺旋桨伴流增加（对应进速减小）时，螺距越小，相应的受力越小，与刚性螺旋桨相比，这种变形使得桨叶受力变化幅值呈减小的趋势，从而可产生降低振动的效果。

图15 不同来流（J=0.66，0.73，0.8）复合材料桨叶变形情况Fig.15 The deformation of a composite propeller blade under different inflow conditions(J=0.66,0.73,0.8)

图16为该复合材料螺旋桨在各进速系数下的推力和扭矩变化情况，图中还给出了采用对应各进速系数变形后复合材料螺旋桨几何作为刚性螺旋桨的受力变化情况。从图中可以看出，复合材料螺旋桨由于在各进速下变形量不同，使得复合材料螺旋桨相对刚性螺旋桨受力的变化梯度较小，这种自适应变形对推力和扭矩的变化有一个很好的缓冲作用，因此可提高复合材料螺旋桨的振动性能。

图16 复合材料螺旋桨对应刚性螺旋桨准定常力比较（左图：对应J=0.66刚性桨，中图：对应J=0.73刚性桨，右图对应J=0.8刚性桨）Fig.16 The comparison between a composite propeller and the corresponding rigid propellers(left:rigid propeller from J=0.66;middle:rigid propeller from J=0.73;right:rigid propeller from J=0.8)

5 结 论

（1）采用二维机翼弹性模型可以定性地分析复合材料螺旋桨流固耦合变形特性，由于桨叶盘面比一般较大，二维机翼模型中还需考虑翼型的变化。

（2）桨叶几何对于复合材料螺旋桨流固耦合特性影响显著，除了厚度，桨叶弦长、侧斜以及叶剖面均会改变桨叶变形量及分布，从而影响水动力性能变化。本文的研究表明：弦长越长，变形越集中于桨叶外半径随边区域，从而带来更大的水动力变化；相比无侧斜桨，后侧斜桨变形更集中于外半径随边区域，从而带来更加明显的水动力变化；采用Eppler方法设计剖面的复合材料螺旋桨，由于水动力负荷集中在靠近随边区域，而且由于随边厚度较NACA剖面复合材料螺旋桨更薄，使得螺距和拱度变化较大，从而水动力变化更为显著。

（3）相比刚性螺旋桨，复合材料螺旋桨通过变形具有增加低速工况负荷能力，因此可应用于导管桨以提高低速拖曳力及系泊推力。

（4）复合材料螺旋桨由于变形量的相对变化，使得复合材料螺旋桨在来流变化时，其水动力变化比刚性螺旋桨小，这种自适应变形对螺旋桨推力和扭矩的变化有一个很好的缓冲作用，因此可应用于提高螺旋桨的振动性能。

本文开展的关于复合材料螺旋桨流固耦合性能的研究工作为后续的复合材料螺旋桨优化设计与应用奠定了基础。

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An investigation on performance of composite marine propellers based on Fluid and Structure Interaction

ZENG Zhi-bo,YAO Zhi-chong,WANG Wei-bo,DING En-bao

(China Ship Scientific Research Center,Wuxi 214082,China)

Investigations of the characteristic of FSI should be carried out to explore clues to design composite propellers,which can further improve propeller performances.A two dimensional hydroelastic foil model of propeller was firstly analyzed and then the FSI characteristic of composite propellers with different geometries of blade was comparatively studied by calculation.The effect of deformation of composite propellers in multiple conditions on hydrodynamic performance was investigated and the performance of vibration of composite propellers under different inflows was also explored in comparison with rigid counterparts.Some valuable conclusions are obtained,which are the basis of design and application of composite propellers.

composite propellers;FSI(Fluid-Structure Interaction);hydrodynamic efficiency;vibration

U661.31

A

1007-7294（2011）11-1224-10

2011-07-11

江苏省基础研究计划（自然科学基金）项目（BK2008118）

曾志波（1980-），男，中国船舶科学研究中心工程师，在职博士生。