歐禮堅(jiān)，馬梓聰，霍浩杰

(1. 華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640；2. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

直尾舵的水動(dòng)力性能分析研究

歐禮堅(jiān)1，馬梓聰2，霍浩杰2

(1. 華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院，廣東 廣州 510640；2. 大連理工大學(xué) 船舶工程學(xué)院，遼寧 大連 116024)

船舶操縱性主要通過性能優(yōu)良的舵保證。研究開發(fā)性能優(yōu)良的舵型，改善舵的水動(dòng)力性能，對(duì)提高船舶操縱性十分重要。通過研究，本文提出一種新型實(shí)用的直尾舵，它是在普通流線型舵的后緣加裝一塊平直的尾板而成，稱之為直尾板?；贑FD軟件Fluent計(jì)算了舵球舵、制流板舵、魚尾舵和直尾舵的水動(dòng)力性能系數(shù)，并對(duì)比分析了直尾舵的水動(dòng)力性能優(yōu)缺點(diǎn)。相比舵球舵和制流板舵，直尾舵的正車水動(dòng)力性能有較大幅度的提高，比魚尾舵的水動(dòng)力性能略差。但是，直尾舵的倒車性能優(yōu)于魚尾舵和制流板舵。因此，直尾舵屬于正車、倒車水動(dòng)力綜合性能最好的組合舵。

直尾舵；水動(dòng)力性能；計(jì)算流體力學(xué)

0 引 言

船舶操縱性主要通過性能優(yōu)良的舵保證。研究開發(fā)性能優(yōu)良的舵型，改善舵的水動(dòng)力性能，對(duì)提高船舶操縱性十分重要。為了提高舵的性能，國內(nèi)外專家設(shè)計(jì)了一系列組合舵，如舵球舵[1]、制流板舵[2]、魚尾舵[3–4]、襟翼舵[5]等。

通過研究，本文提出了一種新型實(shí)用的直尾舵，它是在普通流線型舵的后緣加裝一塊平直的尾板而成，稱之為直尾板。其基本組成部分為流線型舵和直尾板，通過另外加裝制流板或舵球，可以形成不同的組合舵，如圖1所示。

通過計(jì)算舵球舵（由流線型舵葉和舵球組成）、制流板舵（由流線型舵葉、舵球和制流板組成）、魚尾舵（由流線型舵葉、舵球、制流板和魚尾板組成）和直尾舵（由流線型舵葉、舵球、制流板和直尾板組成）的水動(dòng)力性能，并對(duì)比分析直尾舵的水動(dòng)力性能優(yōu)缺點(diǎn)。相比舵球舵和制流板舵，直尾舵的正車水動(dòng)力性能有較大幅度的提高，比魚尾舵的水動(dòng)力性能略差。但是，直尾舵的倒車性能優(yōu)于魚尾舵和制流板舵。因此，直尾舵屬于正車、倒車水動(dòng)力綜合性能最好的組合舵。

1 舵的水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算模型

1.1 計(jì)算流體力學(xué)（CFD）基本理論

CFD求解流場(chǎng)依靠3組流體力學(xué)基本方程和湍流經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停Q為N-S方程（粘性流）或Euler方程（無粘流）和湍流模型。3組流體力學(xué)基本方程分別為連續(xù)性方程、動(dòng)量方程和能量方程，這3組方程的守恒形式可寫成適合于CFD求解的數(shù)學(xué)格式[6]：

式中，[F]、[G]和[H]為通量項(xiàng)，[J]為源項(xiàng)，[U]為解向量，表達(dá)式如下：

運(yùn)用N-S方程對(duì)流動(dòng)進(jìn)行直接數(shù)值計(jì)算時(shí)，必須采用很小的時(shí)間和空間步才能分辨出湍流中詳細(xì)的空間結(jié)構(gòu)及變化劇烈的時(shí)間特征，這對(duì)計(jì)算機(jī)要求非常高。因此，須引入湍流模型，對(duì)方程進(jìn)行簡化，使之可以用于工程計(jì)算。工程上常用的湍流模型為Standardk-ε模型，基于2個(gè)輸運(yùn)方程解出k和ε[7]：

式中：Gk為名義速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；Gb為浮力產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；YM為可壓縮湍流中波動(dòng)擴(kuò)張對(duì)整體耗散率的貢獻(xiàn)；C1ε，C2ε和C3ε為常數(shù)；σk和σε分別為k和ε的普朗特?cái)?shù)；Sk和Sε為自定義項(xiàng)。

1.2 舵的水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算模型

圖2為本文主要研究的4種舵型：舵球舵，制流板舵，魚尾舵和直尾舵。攻角從0°變化至25°。4種舵的舵面積相差非常小，取A=24.891 m2。舵高7.2 m，計(jì)算得到平均舵寬3.457 m。正車和倒車進(jìn)速（航速）均為V=1 kn=5.14 m/s。

計(jì)算水域?yàn)?0 m× 36 m的圓柱型流域，舵模型位于計(jì)算流域中央，以制流板舵為例，如圖3所示。流體密度ρ=998.2 kg/m2，粘性系數(shù)υ=0.001 003 kg/m·s。

舵的表面網(wǎng)格尺寸為50 mm，設(shè)置擴(kuò)張層5層。數(shù)值計(jì)算基于有限體積法進(jìn)行，流域網(wǎng)格單元全部為四面體單元，單元數(shù)量約為1 200 000。利用Fluent的多面體網(wǎng)格技術(shù)（Polyhedra）[7,8]，將四面體網(wǎng)格轉(zhuǎn)換成多面體網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量降至410 000左右。湍流模型選用Standardk-ε模型。

2 舵的水動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

計(jì)算中，監(jiān)測(cè)舵表面的阻力和升力，并通過公式計(jì)算得到表1所示的阻力系數(shù)和升力系數(shù)。

表中，舵的阻力系數(shù)和升力系數(shù)按下面公式計(jì)算：

式中：R為阻力；L為升力；ρ為流體密度；V為航速；A為舵面積。

圖4～圖7分別給出正車和倒車工況下的阻力系數(shù)曲線和升力系數(shù)曲線。從計(jì)算結(jié)果中，可總結(jié)如下兩點(diǎn)結(jié)論：

1）正車時(shí)，制流板在一定程度上能夠改善舵的水動(dòng)力性能，但并不明顯。而在舵的后緣增加直尾板和魚尾板之后，舵的水動(dòng)力性能得到明顯提高；并且魚尾板和直尾板對(duì)水動(dòng)力性能的改善效果相差不大。另外，直尾舵的正車阻力性能明顯優(yōu)于魚尾舵，和舵球舵、制流板舵相差不大。

表 1 四種舵的水動(dòng)力性能計(jì)算結(jié)果Tab. 1 Hydrodynamic performances of rudders

2）倒車時(shí)，綜合而言，直尾舵的水動(dòng)力性能較好，其升力系數(shù)大于制流板舵和魚尾舵，略差于舵球舵。而大攻角（大于20°）時(shí)，直尾舵仍然有較好的倒車水動(dòng)力性能，升力系數(shù)均高于其他3種舵型。

2.1 正車性能分析

圖8為15°攻角正車工況下的舵表面壓力云圖。從壓力云圖中分析，在舵的后緣增加直尾板和魚尾板之后，防止了減壓面的壓力隨舵角增大而增大，從而增大了兩側(cè)面之間的壓力差，因此舵效優(yōu)于舵球舵和制流板舵。舵球舵和制流板舵的表面壓力分布情況非常類似，直尾舵和魚尾舵的表面壓力分布情況亦非常相似。

同樣是15°攻角，圖9為4種舵在正車工況下，距底部5 m高處舵附近流場(chǎng)的速度矢量圖和壓力云圖。從圖中可知，制流板對(duì)流場(chǎng)的改變不大。而增加直尾板和魚尾板之后，流場(chǎng)變得均勻平穩(wěn)，制約了渦的產(chǎn)生，從而增加了舵效。但由于魚尾板的型線變化劇烈，在魚尾板后方產(chǎn)生明顯的尾渦，使魚尾舵的流體阻力增加。

2.2 倒車性能分析

圖10為15°攻角倒車工況下的舵表面壓力云圖。圖11為4種舵在倒車工況下，距底部5 m高處舵附近流場(chǎng)的速度矢量圖和壓力云圖?？梢钥闯?，舵球舵、制流板舵和直尾舵的表面壓力分布情況相似。唯有魚尾舵附近的流場(chǎng)在倒車工況下出現(xiàn)惡化，在舵的減壓面產(chǎn)生較大范圍的渦及流體分離現(xiàn)象，導(dǎo)致舵的表面壓力分布情況出現(xiàn)惡化。這是因?yàn)轸~尾舵在倒車工況下，來流被魚尾板阻擋，導(dǎo)致了明顯的分離現(xiàn)象，使得增壓面出現(xiàn)了明顯的壓力降低，因此倒車工況下舵效大大下降。

3 結(jié) 語

經(jīng)上述分析，相比舵球舵和制流板舵，直尾舵的正車水動(dòng)力性能有較大幅度的提高，比魚尾舵的水動(dòng)力性能略差。但是，直尾舵的倒車性能優(yōu)于魚尾舵。因此，直尾舵屬于正車、倒車水動(dòng)力綜合性能最好的組合舵。

此外，若要對(duì)現(xiàn)有的舵葉進(jìn)行改造，直尾舵的加工難度明顯低于魚尾舵。因此從工藝上講，直尾舵還具有工藝簡單的特點(diǎn)，是一種值得推廣應(yīng)用的新型組合舵。

[1]李鑫. 槳后節(jié)能舵球的水動(dòng)力性能分析[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2009.

[2]陶?qǐng)蛏? 朱文蔚, 費(fèi)乃振. 制流板對(duì)舵性能的影響[J]. 船舶工程, 1980(3):12-20,40.

[3]柳葉. 特種舵水動(dòng)力性能研究及槳舵系統(tǒng)數(shù)值模擬[D]. 大連:大連理工大學(xué), 2012.

[4]喻紅霞. 魚型舵定常升力的數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué), 2003.

[5]趙琦. 襟翼舵水動(dòng)力性能及設(shè)計(jì)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2009.

[6]JOHN D A. Computational fluid dynamics[M]. American:McGraw-Hill, 1995.

[7]Fluent Inc. FLUENT 6. 3 User’s Guide[M]. 2006.

[8]許曉平, 周洲. 多面體網(wǎng)格在CFD中的應(yīng)用[J]. 飛行力學(xué),2009, 27(6): 87–93.

Researches on hydrodynamic performances of tail plate rudder

OU Li-jian1, MA Zi-cong2, HUO Hao-jie2

(1. School of Civil Engineering and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China;2. School of Naval Architecture and Ocean Engineering, Dalian University of Technology, Dalian 116024, China)

The maneuverability of modern ship is guaranteed by rudders. To satisfy the maneuverability requirement, a high performance design of rudder is very vital. In this paper, a new and practical type of rudder is raised up, named Tail plate rudder. It can be simply refitted into a Tail plate rudder by installing a straight plate behind a common streamlined rudder, and call it Tail plate. The CFD software FLUENT is adapted to calculate the hydrodynamic performances of Rudderbubble rudder, Swash plate rudder, Schilling rudder and Tail plate rudder, then the advantages and disadvantages of Tail plate rudder are discussed. Comparing to Rudder-bubble rudder and Swash plate rudder, Tail plate rudder has a great progress on ahead-condition, but never better than Schilling rudder. However, Tail plate rudder has a better astern-condition performance than Schilling rudder and Swash plate rudder. Therefore, Tail plate rudder is a built-up rudder which has the best overall performances.

tail plate rudder；hydrodynamic performance；CFD

U661.1

A

1672 – 7649(2017)09 – 0017 – 06

10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.09.004

2016 – 10 – 31；

2016 – 12 – 06

歐禮堅(jiān)(1974 – )，男，博士，講師，研究方向?yàn)榇鞍踩c綠色節(jié)能技術(shù)。