吳家鳴，廖貫宇，賴宇鋒，竇義哲，陳東軍

(華南理工大學 土木與交通學院，廣東廣州 510640)

導管剖面設計對導管螺旋槳水動力特性的影響

吳家鳴，廖貫宇，賴宇鋒，竇義哲，陳東軍

(華南理工大學 土木與交通學院，廣東廣州 510640)

運用計算流體的方法對導管螺旋槳的葉梢漩渦、螺旋槳周圍流場和推力特性進行計算，并且通過組合不同類型的導管對比分析了梢渦的改善方法和推力性能的優(yōu)化方案。計算結果表明：調整導管螺旋槳中的導管迎角，并延長導管有助于改善導管螺旋槳梢渦的產生和改善槳轂后的尾流，有利于提高導管螺旋槳的穩(wěn)定性；增大導管迎角并延長導管能夠使槳葉上荷載和推力分布更加均勻；在進速系數J=0.4左右，導管螺旋槳性能更優(yōu)，也更高效。本文結論有助于設計出性能優(yōu)良的導管螺旋槳。

導管螺旋槳；計算流體力學；梢渦；導管；水動力

0 引 言

導管螺旋槳是一種常用的操縱水下潛器主動控制裝置，水面控制人員通常通過臍帶纜將控制信號發(fā)送到導管螺旋槳來實施對水下潛器的軌跡與姿態(tài)操縱[1-4]。準確地模擬導管螺旋槳周圍的流場分布有助于提高對導管螺旋槳性能和流場分布特征的了解與認識，從而為設計出水動力性能優(yōu)良的導管螺旋槳提供理論指導[5]。

文獻[6]中描述到導管螺旋槳葉梢區(qū)域會產生漩渦，梢渦的產生會使得導管螺旋槳及其所屬水下潛器系統(tǒng)產生許多不利因素，如產生較大噪聲、增加了不穩(wěn)定性，干擾水下潛器的正常工作，不利于設計節(jié)能高效的水下潛器。另一方面，梢渦的產生破壞了槳葉上荷載的合理分布，導致槳葉容易在漩渦區(qū)發(fā)生剝蝕和變形現象，損傷槳葉結構，降低螺旋槳的使用壽命。本文采用滑移網格技術對導管螺旋槳的葉梢漩渦、螺旋槳周圍流場和推力特性進行數值計算，并且通過組合不同類型的導管對比分析了梢渦的改善方法和推力性能的優(yōu)化方案，從而設計出了梢渦和尾渦范圍較小、推進效率更高、運行更穩(wěn)定的導管螺旋槳。

1 控制方程、幾何模型

1.1 控制方程

本文分析中設定流體為不可壓縮流體，則導管螺旋槳周圍流場的控制方程為[7]：

1）連續(xù)性方程

2）動量方程式中：xi，xj均為坐標分量（i，j=1，2，3）；ui，uj均為速度分量時均值（i，j=1，2，3）；ρ為流體密度；t為時間；P為壓力時均值；gi為重力加速度分量；為雷諾應力項；μ 為流體粘性系數。

1.2 幾何模型

本文采用的基礎模型是ka 4-70/19A導管螺旋槳（見圖1），該槳采用的是No.19A導管。本文旨在研究以ka 4-70螺旋槳裝配不同類型導管的組合結構的匹配性和性能優(yōu)劣。圖2為不同導管剖面示意圖，其中，duct1為No.19A導管，duct2是duct1導管迎角增加5°，duct3是將duct2導管延長0.5 L。表1和表2分別為螺旋槳和3種導管的主要參數。

表 1 螺旋槳主要參數Tab. 1 Primary parameters of the propeller

表 2 導管主要參數Tab. 2 Primary parameters of the ducts

2 數值模擬與計算結果分析

本節(jié)通過改變導管類型的設計旨在改善導管螺旋槳葉梢區(qū)域的漩渦，改進螺旋槳周圍流場的分布，以及優(yōu)化導管螺旋槳的性能。將導管螺旋槳轉速設為20 r/s，通過改變進速的方法計算不同進速系數J的工況。

2.1 導管螺旋槳漩渦分布

圖3為J=0.2時，duct1，duct2，duct3導管螺旋槳在y=0切面的流線圖，從圖中可發(fā)現以下特點：

1）duct1，duct2，duct3導管螺旋槳葉面葉梢位置均存在高壓區(qū)，葉根和槳轂后均存在低壓區(qū)。

2）duct1導管螺旋槳由于水流經過槳盤面后有收縮作用，使得葉梢離開葉面后一定距離的位置出現低壓，進而導致導管外的流體沿著導管內表面回流至該位置形成漩渦，另有部分流體翻越葉梢繼續(xù)回流至葉背處形成漩渦。

3）duct2導管螺旋槳增大導管迎角后避免了導管外流體的回流，消除了葉背處的漩渦，改善了葉面后葉梢區(qū)域的漩渦，使得渦核后移，降低了漩渦對螺旋槳的干擾；duct2導管螺旋槳相較于duct1導管螺旋槳，改善了梢渦的產生，但也使得槳轂后面出現了渦街現象。

4）duct3導管螺旋槳是在duct2導管螺旋槳的基礎上對導管進行加長處理，改進后在延續(xù)duct2導管螺旋槳的優(yōu)點之后還進一步消除了槳轂后的渦街現象；同時，從宏觀上觀察葉背葉面的荷載分布也比前二者更均勻。

圖4是No19A導管螺旋槳在不同進速系數（J=0.2,0.4, 0.6）時流線圖，從圖中可看出：

1）導管螺旋槳在低進速系數下葉梢區(qū)域會產生較大漩渦，隨著進速系數的增大，漩渦逐漸消失，而進速系數與螺旋槳的進速和轉速有關，所以合理設計螺旋槳的前進速度和轉速十分重要。

2）從微觀上分析，不同的進速和轉速直接影響著來流與槳葉葉元體的攻角α，隨著J的增加，攻角α隨之減小，葉梢區(qū)域的漩渦也隨之減小，因此可認為螺旋槳葉梢區(qū)域的漩渦與來流的攻角α呈正相關性。

3）不同進速系數J，流體與導管切面的攻角也不同，進而影響導管周圍的流場，影響導管外的流體回流。

2.2 螺旋槳周圍流場的分布

圖5是導管螺旋槳中縱剖面（z=0）坐標示意圖，坐標原點位于槳轂中心。槳葉相對半徑Rr的定義為：

圖6～圖7為不同導管螺旋槳在J=0.2時，x/L=0.5切面處的軸向速度和徑向速度沿槳葉半徑方向的分布。軸向速度以從導管進口指向導管出口（x軸正方向）為正，徑向速度以從軸心向外指向為正。從圖6和圖7可以觀察到：

1）當Rr＜0.2時，duct1和duct2導管螺旋槳的軸向速度明顯低于duct3導管螺旋槳的軸向速度，這說明槳后尾流受槳轂的影響程度為duct2最大，duct1次之，duct3最?。划?.2≤Rr≤0.8時，3種導管螺旋槳軸向速度沿徑向的分布較為均勻，三者的軸向速度也相差不大；各導管螺旋槳槳葉大相對半徑（0.8＜Rr）處，軸向速度迅速減小，這是因為經過盤面后從導管流出的尾流有一種明顯沿徑向向軸心收縮的傾向；另外，duct1導管螺旋槳葉尖（Rr=1）處軸向速度為負值，因為該處漩渦形成了低壓區(qū)，導致導管外的流體沿著導管內壁回流。

2）duct3導管螺旋槳徑向速度沿槳葉半徑方向的分布相較于duct1和duct2導管螺旋槳更平穩(wěn)，波動更小，這表明duct3導管螺旋槳工作時更加的穩(wěn)定，有助于提升其所屬水下潛器的穩(wěn)定性和可控性。

2.3 導管螺旋槳推力性能對比

螺旋槳槳葉產生推力的機理是葉面、葉背之間存在壓力差，壓力差的大小直接反映了推力的大小。同時，葉面、葉背壓力的分布也直觀地反映了荷載的分布情況，槳葉上荷載較為均勻的分布有利于增加槳葉的使用壽命和提高螺旋槳的穩(wěn)定性。

式（4）為壓力系數CP的計算公式，式（5）為推力T的無因次化，式（6）為導管螺旋槳產生的推力總和[8]：

式中：Pb為葉切面計算點處的壓力；P0為大氣壓力；ρ為水的密度；VA為導管進口處的平均進速；Trot，Tduct分別為槳葉推力和導管推力；Arot為槳盤面面積。

圖8為J=0.2時，不同導管螺旋槳葉背和葉面壓力系數沿槳葉徑向的分布，從圖中有以下觀察和結論：

1）duct1，duct2和duct3三種導管螺旋槳壓力沿槳葉徑向分布的規(guī)律大致相似，葉根區(qū)域壓力最小，葉面壓力隨著相對半徑Rr的增大而增長，并在葉梢部分達到峰值；葉背正好相反，在葉根處壓力最大，隨著相對半徑Rr的增大，壓力減小，在葉梢部分降到最低。

2）duct3導管螺旋槳葉面壓力分布較前兩者更為均勻；duct1導管螺旋槳葉背壓力沿槳葉半徑方向波動較大，而duct2和duct3分布特點十分相似，且沿槳葉半徑方向變化不大，說明后兩者葉背荷載分布較為均勻。

3）duct1導管螺旋槳葉面壓力在葉梢區(qū)域迅速增長，這是因為該區(qū)域產生了漩渦，并且葉面處在渦核外圍高壓區(qū)域。

從圖8的結論中可知葉梢貢獻了螺旋槳推力的絕大部分，表3和圖9分別為不同導管螺旋槳葉梢推力份額和單個槳葉推力沿槳葉半徑方向的分布，綜合表3和圖9可以觀察到以下特點：

表 3 不同導管螺旋槳葉梢推力份額Tab. 3 Proportion of the blade tips in different ducted propellers

1）duct1導管螺旋槳槳葉所發(fā)出的推力最大，duct3導管螺旋槳次之，duct2導管螺旋槳槳葉發(fā)出的推力最小。

2）螺旋槳所發(fā)出的推力主要分布在葉梢部分，越接近葉根，推力分量所占的份額越少；而在相對半徑Rr=1時，單位長度上推力達到最大值。

3）3種導管螺旋槳葉梢（0.8≤Rr≤1）部分產生的推力占槳葉所產生的總推力的絕大部分，其中duct2導管螺旋槳所占的份額最大，duct1導管螺旋槳次之，duct3導管螺旋槳最??；duct3導管螺旋槳推力沿槳葉半徑方向的變化梯度小于duct1和duct2，使槳葉受力更均勻，提高了螺旋槳的穩(wěn)定性。

圖10～圖11分別為不同進速系數J時，無因次推力系數CT和效率η的計算數據，如表4所示。結合圖10、圖11和表4不難得到以下結論：

表 4 不同J下導管螺旋槳計算數據Tab. 4 Datas of the ducted propellers under different J

1）由于低進速系數J接近0時，進速VA接近于0，此時CT趨于無窮大，所以只計入J ≥0.2時的情況；3種導管螺旋槳的無因次推力系數CT具有相同的變化趨勢，即隨著進速系數J的增大而減小，該特征在J≤0.4時顯著；duct1和duct3導管螺旋槳的CT比較接近，duct2導管螺旋槳的CT比前二者略小。

2）在較低的J時，3種導管螺旋槳的效率η隨著J的增大而增大，達到峰值點后，η隨著J的增大而減小，并且三者進速系數J的臨界值大小關系是duct2＜duct3＜duct1；進速系數J達到臨界值前，三者的效率關系是duct3＞duct2＞duct1，但臨界值后，三者的效率關系變?yōu)?duct1＞duct3＞duct2。

3）綜合對比duct1，duct2和duct3三種導管螺旋槳的無因次推力系數CT和效率η后，當J≤0.4時，可選擇推力大，效率高的duct3導管螺旋槳，而當J ＞0.4時，可考慮采用更高效的duct1導管螺旋槳。

4）duct2導管螺旋槳在J≥0.6時，以及duct3 J≥0.8時產生的推力總和為負值，可從表5中觀察到此時槳葉或導管產生的推力是負值導致二者的合推力是負方向的。造成該現象的原因是此時流體以某一個負的幾何攻角和葉元體或導管切面相遇，導致作用于葉元體或導管切面上的升力和阻力在螺旋槳軸向上的合力方向與螺旋槳的前進方向相反，即產生負推力。避免該現象的做法是減小進速系數J，可采用增大轉速的方法予以消除。

表 5 槳葉和導管的推力計算結果Tab. 5 Thrusts from the ducts and propellers

表5為槳葉和導管在不同進速系數J時所發(fā)出的推力的計算結果，其中導管推力份額的計算公式如下：

式中：Trot和Tduct分別為導管產生的推力和槳葉所產生的推力。

圖12為導管推力所占份額ζ隨進速系數J的變化曲線，可觀察到：1）導管推力份額ζ隨進速系數J的變化趨勢基本是先減小后增大，其中duct1導管螺旋槳比duct2和duct3導管螺旋槳的變化相對更平緩；2）duct1，duct2，duct3三者的ζ在J=0.4時比較接近，且duct2和duct3處于最低點；3）導管螺旋槳中導管主要作用是起整流并提供較小份額的附加推力，考慮到導管結構作用和材料強度小的屬性，應盡量避免導管所產生的推力占螺旋槳總推力較大份額，所以導管螺旋槳應設計在J=0.4附近正常工作較為合理。

3 結 語

1）調整導管螺旋槳中的導管迎角，并延長導管有助于改善導管螺旋槳葉梢漩渦的產生和改善槳轂后的尾流，有利于提高導管螺旋槳的穩(wěn)定性，提高推進效率；增大導管迎角并延長導管能夠使得槳葉上荷載和推力分布更加均勻。

2）因為水下潛器航速較低，進速系數J也處在相對較小的范圍，綜合考慮葉梢漩渦范圍，槳后尾流特點，以及推力大小和效率，應當選擇duct3導管螺旋槳更合適。

3）導管螺旋槳中導管主要作用是起整流并提供較小份額的附加推力，考慮到導管結構作用和材料強度小的屬性，應盡量避免導管所產生的推力占螺旋槳總推力較大份額，所以導管螺旋槳應設計在J=0.4附近正常工作較為合理。

4）導管在低進速系數時能夠產生正的附加推力，但在高進速系數時產生負的推力，即變成附加阻力。

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The influence of duct profile design on hydrodynamic characteristics of ducted propeller

WU Jia-ming, LIAO Guan-yu, LAI Yu-feng, DOU Yi-zhe, CHEN Dong-jun
(College of Civil and Transportation Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

Tip vortex of a ducted propeller, the flow fluid around and thrust characteristics of the propeller are observed numerically with computational fluid dynamic (CFD) method. The optimization method of tip vortex and thrust performance are compared and analyzed by combining different types of ducts. Results of numerical simulation indicate that it is helpful to improve the generation incidence of the tip vortex and to improve the wake after the hub by adjusting the angle of attack of the duct in the propeller and extending the duct, is helpful to improve the stability of ducted propeller; increasing the angle of attack of the duct and extending the duct can make the blade load and thrust distribution more uniform; the coefficient of advanced velocity about J=0.4, the ducted propeller will has better performance, higher efficiency.The results of the paper help to design a better ducted propeller.

ducted propeller；CFD；tip vortex；duct；hydrodynamic

TV131.2

A

1672-7649(2017)11-0038-06

10.3404/j.issn.1672-7649.2017.11.008

2017-01-10；

2017-08-21

國家自然科學基金資助項目(11372112)

吳家鳴(1957-)，男，教授，主要從事船舶與海洋工程水動力學研究。