带整流帽的半悬挂舵敞水水动力性能数值计算分析

李　艳， 龙进军

(南通航运职业技术学院 船舶与海洋工程系，江苏 南通 226010)



带整流帽的半悬挂舵敞水水动力性能数值计算分析

李艳， 龙进军

(南通航运职业技术学院 船舶与海洋工程系，江苏 南通 226010)

摘要利用计算流体力学软件FLUENT，基于RANS方程和RNG k-ε湍流模型开展了NACA0018型的半悬挂舵(带及不带整流帽)敞水水动力性能模拟计算。对比分析了两种状态下的升力系数和阻力系数，并研究了带整流帽舵的这些系数与舵角之间的关系，得出其在一定角度下的压力分布中心及舵力，为舵机选型提供理论数据。

关键词整流帽半悬挂舵水动力性能

0引言

舵是船舶的主要操纵设备之一。舵按固定方式分为舵踵支撑舵、半悬挂舵及悬挂舵。其中半悬挂舵常用于高速集装箱船、油船及货船。舵的水动力性能参数是舵机选型的重要依据，也是操纵性能计算不可或缺的资料。

随着计算机技术的不断提高，流体力学和计算数学理论的迅速发展完善，计算流体力学中的高精度数值方法在船舶水动力性能理论研究领域得到广泛应用。目前，大量文献[1～4]表明CFD方法在船用舵水动力性能计算中有较高的可靠性。本文运用CFD软件FLUENT，采用有限体积法，RNG k-ε湍流模型，SIMPLEC算法对NACA0018型舵(带及不带整流帽)敞水水动力性能进行模拟计算，得出在不同舵角下的流场特性及数学关系，并将两种状态下的舵进行对比分析，证实整流帽的节能设计。

1数学模型

1.1控制方程

文中采用不可压缩粘性流体的RANS方程作为求解舵的三维粘性流场的基本方程，形式如下。

(1)

式中：ui、uj为时均速度分量；ui′、uj′为脉动速度分量。

1.2湍流模型

对于舵水动力计算采用RNG k-ε湍流模型。湍流动能k方程形式如下。

(2)

湍流能量耗散率ε方程为

(3)

式中：μi为湍动粘性系数；Pt为湍动生成项。

1.3数值方法

采用有限体积法离散方程，压力项采用标准的离散格式进行离散，动量方程、湍流动能方程及耗散方程均采用二阶迎风格式进行离散，压力速度耦合迭代采用SIMPLEC算法。整个流域采用非结构网格，在近舵表面区域加密网格。

1.4几何建模

图1　不带整流帽的NACA0018型半悬挂舵模型　　　图2　带整流帽的NACA0018型半悬挂舵模型

本文采用的舵型为NACA0018，展弦比为1.65。不带整流帽的半悬挂舵模型如图1所示，带整流帽的半悬挂舵模型如图2所示。计算时，将舵和挂舵臂看成一整体。1.5边界条件设置

本文计算域如图3所示。流域大小为15 L×8 L×12 L(长×宽×高)，其中L为弦长。边界包括入口、出口、壁面和外场，设置如下。

(1) 速度入口：入口距离舵模前缘4倍弦长，速度大小为7.2 m/s，在计算时方向为垂直入口边界。

(2) 压力出口：出口距离舵模后缘10倍弦长，压力为未扰动时的边界压力。

(3) 外场：流域的外边界距舵的纵向中心线4倍弦长，速度为未受扰动时的主流区速度。

(4) 壁面：舵表面定义为无滑移、不可穿透边界条件。

2计算结果与分析

2.1计算结果

根据普兰特(Prandtl)公式[5]，当展弦比λ=6时NACA0018剖面的流线型舵的试验数据进行换算，可得当展弦比λ=1.65时NACA0018剖面的流线型舵的升阻力系数如表1所示。其中，α1为舵角值；Cy为升力系数；Cx为阻力系数；Cp为压力中心系数。

由CFD计算求得舵所受的升阻力如表2、表3所示。num1表示不带整流帽时的计算结果，num2表示带整流帽时的计算结果。

图3　计算域

λ=6λ=1.65α105101520253035Cy00.240.470.710.921.131.321.42Cx00.010.040.130.280.460.731.01α206.9213.7720.6927.3734.0640.5846.38Cy00.240.470.710.921.131.321.42Cx00.0180.0710.20.3980.6390.9741.292

表2　不带整流帽的半悬挂舵升阻力系数数值计算值(num1)

表3　带整流帽的半悬挂舵升阻力系数数值计算值(num2)

2.2不带整流帽舵的水动力性能情况

由图4、图5可知，在攻角较小时，升阻力系数变化趋势与试验数据一致，升力和阻力系数与试验换算值相近；但当超过一定角度后，升力系数则开始下降，与试验换算数据差异较大，主要原因是产生了流体的横向运动和尾涡现象。图6～图11为z=0的剖面分别在舵角为5°、 15°、25°时的速度矢量图与动压力分布图，由图可知，较小攻角时，来流由于攻角存在被弯曲，但随即又成平行。然而随着攻角增大，翼背处的水流成界面分离状态，尾部产生明显尾涡，使翼背处压力升高，翼面和翼背的压力差减小，导致升力下降。

图4　升力系数曲线 　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5　阻力系数曲线

图6　α=5°不带整流帽舵的速度矢量图　　　　　　　　　　图7　α=5°不带整流帽舵的压力云图

图8　α=15°不带整流帽舵的速度矢量图　　　　　　　　　　图9　α=15°不带整流帽舵的压力云图

图10　α=25°不带整流帽舵的速度矢量图　　　　　　　　　　图11　α=25°不带整流帽舵的压力云图

2.3整流帽对舵的水动力性能影响

由图4所示可看出，舵角小于25°时，带与不带整流帽的舵升阻力系数值相近，舵角大于25°时，升力系数值带整流帽舵较不带整流帽舵下降较大，阻力系数值相差不大。如图12～图19所示，比较舵角5°和舵角35°时的速度矢量图和压力云图，由于水的粘性作用，翼背处表面水流将产生边界层分离，渐渐在翼背尾部产生漩涡状流动，与舵角增大到35°后，尾涡变得更为明显，导致升力下降。

图12　α=5°带整流帽舵的速度矢量图　　　　　　　　　　图13　α=5°带整流帽舵的压力云图

图14　α=5°整流帽处的速度矢量图　　　　　　　　　　图15　α=5°整流帽处的压力云图

图16　α=35°带整流帽舵的速度矢量图 　　　　　　　　　　图17　α=5°带整流帽舵的压力云图

图18　α=35°整流帽处的速度矢量图　　　　　　　　　　图19　α=35°整流帽处的压力云图

从表2和表3可知，当舵角小于25°时，带整流帽舵的压力中心系数比不带整流帽舵小；而当舵角大于25°时，带整流帽舵的压力中心后移。从图20可以看出，带整流帽舵的舵杆力矩比不带整流帽舵小。

图20　舵杆力矩图

3结束语

本文利用FLUENT软件对带与不带整流帽的半悬挂舵的水动力性能进行了数值模拟，并将两者在不同舵角下的升力、阻力、压力中心系数及舵杆力矩进行了比较分析，得出以下结论：

(1) 对半悬挂舵的水动力性能进行了数值模拟，将计算数据与试验数据进行了比较得出，升阻力系数试验值和计算值趋势基本一致。并分析了舵角增大到一定角度时，产生升力系数下降现象的原因，验证了数值模拟方法的准确性。

(2) 整流帽舵在角度小于25°时，对升力系数影响不大，但超过25°时，升力系数下降较大，压力中心后移，舵杆力矩减小。

应用上述结论，并结合舵机试验台的舵机负载试验，建立一种舵机载荷特性与船舶舵叶力矩特性适配的理论分析方法，从而指导舵机设计与舵机选型。

参考文献

[1]张瑞.NACA半悬挂舵舵叶流畅数值模拟及舵装置辅助设计[D].武汉：武汉理工大学，2009.

[2]周广礼，董文才，姚朝帮. 半悬挂舵敞水水动力性能数值计算方法研究[C].2013年船舶水动力学学术会议论文集，2013.

[3]柳叶.特种舵水动力性能研究及桨舵系数数值模拟[D].大连：大连理工大学，2012.

[4]王影.桨-舵-球-鳍的水动力数值分析[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2013.

[5]刘振邦，刘应中. 船舶原理(下册)[M].上海：上海交通大学出版社，2004.

[上接第25页]

[2]Cormen T H(著)，潘金贵(译).算法导论(第3版)[M].北京：机械工业出版社，2012.

[3]王晓东.计算计算法设计与分析(第3版)[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4]李文新，郭炜，余华山.程序设计导引及在线实践[M].北京：清华大学出版社,2007.

[5]严蔚敏，吴伟民.数据结构(C语言版)[M].北京：清华大学出版社，2009.

[6]王晓东.算法设计与分析[M].北京：清华大学出版社，2004.

[7]陈媛.算法与数据结构(第1版)[M].北京：清华大学出版社，2005.

[8]常友渠，肖贵元，曾敏.贪心算法的探讨与研究[J].重庆电力高等专科学报，2008，13(3)：40-42.

Study on Hydrodynamic Performance of Semi-underhung

Rudder with Rudderball

LI Yan， LONG Jin-jun

(Department of Ship&Ocean Engineering, NanTong Shipping College, NanTong Jiangsu

226010, China)

AbstractThe hydrodynamic performance of semi-underhung rudder(with and not with rudderball) is numerically investigated based on RANS and RNG k-ε turbulent model in present paper. Compared with the lift coefficient and resistance coefficient of two rudders, researched the relationship between those coefficients and the rudder angle, and obtained the force and pressure center of semi-underhung rudder with rudderball. Thus, it can be used to selection of semi-underhung rudder.

KeywordsRudderballSemi-underhung rudderHydrodynamic performance

中图分类号U662

文献标志码A

作者简介：李艳(1981-)，女，讲师。