程相茹 黃曉雪

（渤海船舶職業(yè)學院 葫蘆島125000）

導緣帶凹凸結節(jié)船用舵的模型試驗研究

程相茹 黃曉雪

（渤海船舶職業(yè)學院 葫蘆島125000）

系統(tǒng)研究了導緣帶凹凸結節(jié)的船用舵水動力性能，通過循環(huán)水槽模型試驗的方法模擬船用舵在一定來流的水中工作情況。制作導緣光滑和導緣帶凹凸結節(jié)的船用舵的試驗模型；針對同一個模型在循環(huán)水槽中進行三次來流速度相同的試驗；記錄并處理試驗數(shù)據(jù)。模型試驗結果表明：當其他條件相同時，在船用舵的導緣布置正弦的凹凸結節(jié)，可以提高船用舵的水動力性能，并延緩失速現(xiàn)象的發(fā)生。

船用舵；正弦導緣；模型試驗；失速角；升阻比

引 言

目前，針對船用舵減阻節(jié)能的研究一直都是各國專家探討的熱門問題，［1］無論是采用何種方式降低船用舵的阻力，達到減阻節(jié)能的目的，都需要安裝額外的裝置進行船用舵的減阻。［2］肋條減阻能有效降低壁面摩阻，經(jīng)研究表明：V形肋條減阻效果最好，減阻率最大可達10%。［3］然而這種減阻方式需要額外安裝肋條，因而增加了建造的工作量。哈爾濱工程大學的王炳亮等研究船舶微氣泡減阻的數(shù)值模擬，分析船速、通氣速度、通氣濃度對微氣泡減阻效果的影響，［4］但是微氣泡減阻需要的工藝手段極其復雜，要達到廣泛應用較為困難。2004年，美國科學家通過研究座頭鯨的鰭狀前肢，發(fā)現(xiàn)導緣凹凸的鰭狀前肢更能提高座頭鯨捕食的靈敏性和快速性。針對這一現(xiàn)象，科學家們建立了比例為1︰1的仿生模型，在風洞進行模型試驗，結果表明：導緣凹凸可以提高三維鰭狀前肢的氣動性能。［5］

美國科學家們將導緣凹凸應用到展弦比接近4的三維鰭狀前肢上，這類似于飛機的機翼?；谶@一理論，本文將帶凹凸結節(jié)的導緣應用到船用舵上，通過一組模型試驗，分析對比試驗數(shù)據(jù)，驗證導緣凹凸在船用舵上也可以提高其水動力性能的結論。

1 試驗模型的設計與加工

1.1 模型參數(shù)

表1為試驗模型的主要參數(shù)，其中將導緣光滑船用舵命名為A1，導緣帶凹凸結節(jié)船用舵命名為B1，以便于試驗結果的分析。

表1 試驗模型主要參數(shù)

帶凹凸結節(jié)船用舵B1的導緣側輪廓線形狀是標準正弦曲線，周期N = 3.5，波幅A =10 mm，4個凹凸結節(jié)，曲線作用范圍為整個船用舵的展長。

1.2 模型加工

船用舵的材料是厚度為5 mm的有機玻璃，圖1是船用舵的截面模型，通過疊加NACA0020截面就可以制造整個船用舵。對于導緣光滑的船用舵各個截面的弦長相同，對于導緣帶凹凸結節(jié)的船用舵各個截面的弦長不同，位于正弦曲線的波峰和波谷分別是最大弦長和最小弦長。圖2是截面粘貼之后的模型，圖3是表面經(jīng)過涂抹原子灰并經(jīng)多次打磨直至舵表面光滑的模型，圖4是經(jīng)過涂漆完工之后的試驗模型。

圖1 模型截面

圖2 粘貼之后的模型

圖3 表面處理后的模型

圖4 試驗模型

2 試驗方案設計

2.1 試驗設備

本試驗是在哈爾濱工程大學水池試驗室的循環(huán)水槽中進行的，水槽的長度為4 m，水槽寬度為0.58 m，試驗時水槽內的水位高度為0.5 m，圖5為試驗所用的循環(huán)水槽。圖6是船用舵在循環(huán)水槽安裝圖，圖7是讀數(shù)時使用的應變式測力天平。

圖5 試驗水槽

圖6 B1在循環(huán)水槽中的安裝圖

圖7 應變式測力天平

試驗開始時，模型開始受力，測力天平感應出模型的受力，并通過動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)將模型的受力信息采集并輸入到電腦中，采用專門的軟件記錄試驗數(shù)據(jù)。

2.2 試驗內容與步驟

2.2.1 試驗內容

（1）通過敞水試驗測出A1各個角度的升力、阻力、升阻比，并確定其失速角。

（2）通過敞水試驗測出B1各個角度的升力、阻力、升阻比，并確定其失速角。

其中，試驗時電動機轉動頻率為34.35 Hz，試驗的水流流速為0.6 m/s，Re=1.35×105，水流速度的選擇依據(jù)文獻。［5］水槽溫度為10℃～15℃，并保持在這一范圍內。試驗時從0°攻角開始每隔5°測量一次，通過船用舵升力和阻力的變化趨勢，確定失速角大概范圍，然后在這一區(qū)間每隔1°進行測量，測出具體船用舵的失速角。

2.2.2 試驗步驟

（1）調整動態(tài)信號測試分析系統(tǒng)控制軟件的參數(shù)，對流速測量儀進行標定，以確定流速儀的修正系數(shù)，建立水槽流速與流速控制系統(tǒng)變頻調速頻率之間的對應關系。

（2）測力天平固定在水槽的中間位置，安裝試驗模型，使其處于合適的入水深度與迎流攻角。

（3）連接導線，通電并檢查各儀器，儀表工作是否正常。通電并啟動水槽控制器，調整調速旋鈕改變變頻調速器的頻率值（逐漸由小變大），以改變水槽中水流的流速至所需值，同時對模型受力進行測量。

（4）數(shù)據(jù)采集，改變模型的迎流攻角，然后重復上述步驟，得到船用舵在不同攻角下的升力、阻力曲線以及升阻比曲線。

（5）試驗完畢，關閉水槽控制器、數(shù)據(jù)采集儀器等。

（6）整理試驗數(shù)據(jù)。

2.3 數(shù)據(jù)采集

（1）水流速度

水槽控制器的控制面板上有調速旋鈕，可以對水流速度進行控制。由于電動機的轉動頻率與流場的速度基本成正比關系，所以通過畢托管對流速進行標定。圖8是頻率-速率曲線。

圖8 頻率-速率曲線

（2）升力、阻力和失速角

模型試驗中的數(shù)據(jù)通過應變式測力天平進行測量。來流流經(jīng)舵表面，測力天平分別感應來流方向的合力，即阻力；感應水流方向垂直的合力，即升力。測力天平上的刻度盤來確定失速角，試驗進行三次，保證讀數(shù)準確。

2.4 數(shù)據(jù)處理

將測得的數(shù)據(jù)通過最小二乘法進行處理，［6］所需計算公式如下：

（1）升力系數(shù)

升力表示為L，定義升力系數(shù)CL表示為

式中： ρ為流體密度，kg/m3；為來流速度，m/s；S為船用舵平面面積，m2。

（2）阻力系數(shù)

阻力表示為D，則阻力系數(shù)CD表示為

式中： ρ為流體密度，kg/m3；為來流速度，m/s；S為船用舵平面面積，m2。

3 試驗結果分析

將試驗所測得的升力和阻力經(jīng)過無量綱化得到升力系數(shù)CL、阻力系數(shù)CD以及升阻比。表2和表3分別為導緣光滑船用舵A1的試驗數(shù)據(jù)以及導緣節(jié)凹凸結節(jié)船用舵B1的試驗數(shù)據(jù)。

表2 導緣光滑船用舵A1的試驗數(shù)據(jù)

表3 導緣帶凹凸結節(jié)船用舵B1的試驗數(shù)據(jù)

由表2可知，導緣光滑船用舵A1的失速角為26°，最大升力系數(shù)為0.823。由表3可知，導緣帶凹凸結節(jié)船用舵B1的失速角為29°，最大升力系數(shù)為0.930。與導緣光滑船用舵A1比，失速角增加11.538%，最大升力系數(shù)提高13%。

圖9（a）為兩船用舵的升力系數(shù)和阻力系數(shù)試驗值，當α＜20°時，A1和B1的升力系數(shù)和阻力系數(shù)基本重合。當α＞20°時，B1的升力系數(shù)明顯大于A1的升力系數(shù)，特別是當A1失速以后，B1的升力系數(shù)繼續(xù)增大。圖9（b）為兩船用舵的升阻比試驗值，當α＜8°時，兩舵的升阻比曲線基本重合。當8°＜α＜13°時，A1的升阻比大于B1的升阻比，在這一攻角范圍內，導緣光滑船用舵性能要優(yōu)于導緣帶凹凸結節(jié)船用舵。當α＞13°時，B1的升阻比要大于A1的升阻比，并都隨著攻角的增大逐漸減小。

圖9 A1和B1的試驗值數(shù)據(jù)對比

依據(jù)以上分析，可知導緣帶凹凸結節(jié)的船用舵可以提高升力、降低阻力達到延緩失速的目的。這是因為在導緣布置凹凸結節(jié)可以產(chǎn)生反向旋轉的旋渦，當流體從船用舵導緣流經(jīng)隨緣直至尾流區(qū)域，凹凸結節(jié)使流體流動更加均勻，流體會緊貼壁面流動，從而減小旋渦的產(chǎn)生，同時又將旋渦產(chǎn)生的能量吸收利用，降低旋渦尺寸，這樣的效應延緩了船用舵的失速現(xiàn)象。

4 結 論

本文設計并制作了導緣光滑和導緣帶凹凸結節(jié)的兩個船用舵試驗模型，通過在循環(huán)水槽進行船用舵的水動力性能試驗，分析試驗測得的數(shù)據(jù)，得出以下結論：

（1）在其他條件不變的情況下，與導緣光滑的船用舵相比，在船用舵導緣布置凹凸結節(jié)可以提高船用舵的水動力性能，延緩失速。

（2）與導緣光滑船用舵相比，導緣帶凹凸結節(jié)的船用舵最大升力系數(shù)提高13%，失速角增加11.538%。

（3）在攻角較大的工況下，導緣帶凹凸結節(jié)提高船用舵水動力現(xiàn)象明顯，在較小攻角工況下，兩種船用舵水動力性能基本相同。

本文的模型試驗主要是用來驗證將凹凸結節(jié)布置到船用舵的導緣上也可以提高升力、降低阻力并延緩失速，與國外學者將凹凸結節(jié)應用到大展弦比的機翼上同理，都可以獲得較好的結果。有了本文的試驗基礎，下一步工作可以進行凹凸結節(jié)形狀和個數(shù)等參數(shù)的研究，得出凹凸結節(jié)的分布規(guī)律對提高船用舵水動力性能影響的分布規(guī)律。

［1］羅曉園，李新，鄭銳聰，等.基于內河運輸船的新型全回轉舵槳設計研究［J］.船舶，2013（4）：39-43.

［2］郭杰，耿興國，高鵬，等.邊界層控制法減阻技術研究現(xiàn)狀［J］.魚雷技術， 2008（1）：1-6.

［3］黃樂萍，范寶春，董剛.槽道湍流壁面展向周期震動減阻機理研究［J］.南京理工大學學報，2010（3）：361-366.

［4］王炳亮.船舶微氣泡減阻數(shù)值模擬及機理研究［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2012：38-60.

［5］MIKLOSOVIC D S，MURRAY M M，HOWLE L E，et al. Leading-edge tubercles delay stall on humpback whale（Megaptera novaeangliae）flipper［J］. Physics of Fluids，2004（5）：39-42.

［6］徐士良. FORTRAN常用算法程序集［M］.北京：清華大學出版社，341-346.

Model test of leading-edge tubercle rudder

CHENG Xiang-ru HUANG Xiao-xue
(Bohai Shipbuilding Vocational College, Huludao 125000, China)

This paper systematically investigates the hydrodynamic performance of leading-edge tubercle rudder by simulation of operation condition of rudder in steady in fl ow through the model test in circulating water tunnel. Firstly, it builds models of rudder with smoothing leading-edge and tubercle leading-edge. Secondly, it carries out the model tests with the same in fl ow velocity three times for the same rudder in circulating tunnel. Finally, it records and processes experimental data. The model test results show that, under the same condition, rudder with sinusoidal tubercle leading-edge can improve the hydrodynamic performance of ship rudder and delay the phenomenon of stalling.

Rudder; sinusoidal leading-edge; model test; angle of attack; lift-drag ratio

U661.331

A

1001-9855（2014）04-0061-05

國家自然科學基金資助項目（41176074），博士點基金資助項目（20102304120026）。

2013-12-02 ；

2014-01-24

程相茹（1987-），女，助教，碩士，研究方向：船舶推進與節(jié)能技術。 黃曉雪（1988-），女，助教，碩士，研究方向：數(shù)字化造船。