王國壯

摘要：本文介紹了基于動量定理模型的雙盤面多流管方法，重點(diǎn)給出該模型在可控偏角直葉片擺線式推進(jìn)器水動力性能計(jì)算中的運(yùn)用，并考慮流管收縮效應(yīng)、葉片的非定常運(yùn)動、葉片間干擾效應(yīng)對推進(jìn)器水動力性能的影響。用計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。

關(guān)鍵詞：動量定理；擺線式推進(jìn)器；水動力性能；雙盤面多流管

1引言

二十一世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，隨著海洋開發(fā)的深入發(fā)展，潛水深度的不斷增加，需要強(qiáng)度更高、重量更輕、操作更加靈便的水下作業(yè)平臺。同時，現(xiàn)代的水上作業(yè)平臺工作的時候需要精確的定位，因此，設(shè)計(jì)一種能夠靈活控制推進(jìn)方向和推力的推進(jìn)器變得更為重要。

以往的海洋平臺的推進(jìn)裝置一般采用普通的螺旋槳。對于潛器，為了滿足其橫向和垂向的運(yùn)動要求，產(chǎn)生上下方向、左右方向的推力，需要在潛器的橫向和垂向上布置多個槽道推進(jìn)器，這樣做破壞了艇體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，使?jié)撈鳛榱藵M足強(qiáng)度、下潛深度等要求相應(yīng)的增加結(jié)構(gòu)尺度，從而增加艇體的體積和重量，同時也使?jié)撈鲀?nèi)部的布置受到限制。而對于水上作業(yè)平臺來說，普通的螺旋槳使其回轉(zhuǎn)的半徑增大，不便于精確控制。直葉片擺線式推進(jìn)器可以解決上述問題，它能在工作平面內(nèi)360度方向上產(chǎn)生推力。

基于動量定理模型的雙盤面多流管方法對擺線式推進(jìn)器進(jìn)行計(jì)算，并考慮到流管收縮效應(yīng)、葉片的非定常運(yùn)動、葉片間干擾效應(yīng)對推進(jìn)器水動力性能的影響，對雙盤面多流管方法進(jìn)行修正。將計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。

2動量定理

由動量定理可知，推進(jìn)器轉(zhuǎn)子前后流面的動量守恒，即靜壓力與流速成反比。當(dāng)推進(jìn)器的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時，轉(zhuǎn)子的迎流面對水流有吸附作用，到達(dá)推進(jìn)器轉(zhuǎn)子迎流面的水流速度逐漸增加，靜壓力減小，阻礙推進(jìn)器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動；流經(jīng)轉(zhuǎn)子的過程中，靜壓力增大，同時流速增速；流過轉(zhuǎn)子以后，靜壓力逐漸恢復(fù)，流速慢慢減小，則推進(jìn)器轉(zhuǎn)子上游的靜壓力和水頭和下游相近，流速增大，葉片推動水流向后運(yùn)動，推進(jìn)器發(fā)動機(jī)的一部分能量被水流吸收，而推進(jìn)器和水的相互作用使推進(jìn)器向前運(yùn)動。

以一作用盤面來代替推進(jìn)器轉(zhuǎn)子分析水流和盤面的相互作用。如圖1所示取剛好包圍整個作用盤面的流管，由動量定理可知，盤面上游和下游水流動量變化率等于單位時間外部對流體的作用力，從而得到盤面的受力和推進(jìn)器對水流做功的功率為：

（1）

（2）

圖1流管中流速壓力示意圖

3雙盤面多流管方法

采用流管法計(jì)算擺線推進(jìn)器水動力性能的時候，需要考慮葉片在不同方位角時迎流速度的不同，以及由此引起的誘導(dǎo)速度分布的變化。因此，通常將推進(jìn)器轉(zhuǎn)子所在的作用盤面按照方位角的不同分成多個獨(dú)立的流管，對每一流管單獨(dú)運(yùn)用動量定理的方法，并且將每一流管的上游和下游區(qū)域分開計(jì)算，將上游區(qū)域的尾流作為下游區(qū)域的來流，在兩個區(qū)域分別運(yùn)用上述方法來求解，這樣的處理方法可以在一定程度上考慮到上游片對下游流場的干擾，使計(jì)算更準(zhǔn)確。這就是雙盤面多流管方法，如圖2所示。

圖2雙盤面多流管方法示意圖

3.1求解方法

假設(shè)盤面中的每一個流管都是直的，且方向和來流一致。葉片在運(yùn)動一周的過程中，會穿過每根流管兩次。水流經(jīng)過前一作用盤面后，在某一位置靜壓力會恢復(fù)到自由來流的對應(yīng)值，定義該位置為平衡位置，如圖2中的虛線所示。

圖3中，W為葉片合速度，流管的上、下游盤面分別為Wu和Wd；Udisk為作用盤面處的流速，上游盤面的Udisk=Uu，下游盤面的Udisk=Ud。將流體流過作用盤面時的動量變化率和受力相結(jié)合，得到流管上、下游盤面的動量方程分別如下：

（3）

（4）

圖3單個葉片受力圖

3.2流管收縮效應(yīng)

實(shí)際的動量方程應(yīng)在保持流管筆直的同時，假設(shè)大部分流管的方向和來流方向有一個夾角，這樣才能貼近實(shí)際的流體流動。

定義流管的位置角為作用盤面和軌跡圓中心的連線與流管的夾角，如圖4所示。由于流管仍然是直的，所以上游盤面和下游盤面對應(yīng)的位置角是相等的。則流管上游盤面和下游盤面的動量方程變?yōu)椋?/p>

（5）

（6）

圖4流管收縮圖

3.3非定常效應(yīng)

由于推進(jìn)器工作過程中的葉片的運(yùn)動由三部分組成：繞自身旋轉(zhuǎn)軸角速度的局部旋轉(zhuǎn)、繞葉輪軸角速度的周向運(yùn)動、速度的前進(jìn)運(yùn)動。所以葉片始終在做非定常運(yùn)動，葉片攻角是呈周期性的變化。而基于動量定理的雙盤面流管法，在求解中采用的翼型試驗(yàn)數(shù)據(jù)都是靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，所以有必要對葉片運(yùn)動的非定常效應(yīng)進(jìn)行修正。

3.4葉片干擾效應(yīng)

由于推進(jìn)器轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動過程中，由于葉片在軌跡圓上均勻分布，且葉片間距相等，葉片運(yùn)動產(chǎn)生的邊界層分離會使葉片尾流相對外部流場有一個相對速度，這個速度會使后方葉片的實(shí)際進(jìn)流速度小于理論來流速度，而且來流方向和后方葉片弦線夾角發(fā)生改變，因此，葉片干擾效應(yīng)影響的主要因素是葉片尾流速度。

4雙盤面多流管法計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比

用雙盤面多流管法程序計(jì)算本文所設(shè)計(jì)的可控偏角直葉片擺線式推進(jìn)器，并與試驗(yàn)結(jié)果對比如下：

圖5推進(jìn)性能曲線（z=X10、c=X1、e=X5、n=X12）

圖6推進(jìn)性能曲線（z=X10、c=X2、e=X5、n=X12）

圖7推進(jìn)性能曲線（z=X10、c=X3、e=X5、n=X12）

圖8推進(jìn)性能曲線（z=X10、c=X1、e=X6、n=X12）

圖9推進(jìn)性能曲線（z=X10、c=X1、e=X7、n=X12）

圖10推進(jìn)性能曲線（z=X10、c=X1、e=X5、n=X13）

由圖5～圖11可知，計(jì)算結(jié)果中的推力系數(shù)（cal）較試驗(yàn)結(jié)果（exp）偏高，這是由于各因子的修正偏小或是推進(jìn)器各物理量的試驗(yàn)測量中因摩擦等對推力產(chǎn)生了一定的損耗。而計(jì)算結(jié)果中的轉(zhuǎn)矩系數(shù)較試驗(yàn)結(jié)果偏低，其差異值微小可忽略。計(jì)算結(jié)果中的效率的上升段和試驗(yàn)結(jié)果接近，平穩(wěn)段較試驗(yàn)結(jié)果長，要比試驗(yàn)結(jié)果后達(dá)到零點(diǎn)。由于程序中沒有考慮流速增加、轉(zhuǎn)速增加等因素給流場帶來的干擾，效率曲線大進(jìn)速系數(shù)下計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的的符合性不是很好。而且計(jì)算的最大效率值大于試驗(yàn)的最大效率值，最大效率值發(fā)生的進(jìn)速系數(shù)也較試驗(yàn)值大。

5結(jié)束語

擺線推進(jìn)器的水動力與螺旋槳相比復(fù)雜得多，要精確計(jì)算擺線推進(jìn)器水動力性能不是一件很容易的事。本文介紹了基于動量定理模型的雙盤面多流管方法，重點(diǎn)給出該模型在可控偏角直葉片擺線式推進(jìn)器水動力性能計(jì)算中的運(yùn)用，計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值比較接近。因此，此計(jì)算方法對估算擺線推進(jìn)器的推進(jìn)性能和操縱性能具有實(shí)際應(yīng)用意義。

參考文獻(xiàn)

[1]CHUFeng2quan，CHENPon，ParameterSelectionofStraightBladedVertical

AxisWindTurbine[A].Alter2nativeEnergySourcesVI，Vol.3[C].Clean

EnergyResearchInstitute，UniversityofMiami，1985.

[2]KOTHMA.Doublemultipleactuatordisc（DMAD）modelforcycloidalpropellers

[J].AEJ2AlexandriaEn2gineeringJournal，1998，37（4）：A2192A230.

[3]張洪雨.擺線推進(jìn)器水動力性能研究[D].哈爾濱工程大學(xué)，博士學(xué)位論

文，1999.

[4]谷口中.¨?..?·???江關(guān)する研究[D].東京大學(xué)工學(xué)博士論文.1960.

[5]董世湯.船舶螺旋槳理論[M].上海：上海交通大學(xué)出版社.1985.