史俊武，丁 晨，劉愛兵，楊文凱

（上海船用設備研究所，上海200031）

0 引 言

直翼推進器（如圖1 所示）是一種安裝有直翼型槳葉的特種推進器，其轉軸垂直于船體設置。槳葉與推進器轉軸平行，沿轉軸旋轉過程中產生推力。通過控制槳葉運動的偏心率和偏心方向，可使直翼推進器在垂直于轉軸平面內產生任意方向和大小的力，從而實現對船舶的推進和操縱功能[1-2]。直翼推進器獨特的工作特點使其廣泛應用于獵掃雷艦、科考船、拖船、渡船等對操縱性能要求較高的特種船舶。

直翼推進器水動力性能與其推進效率和結構安全性息息相關，水動力分析是直翼推進器設計的前提和基礎。直翼推進器和常規(guī)螺旋槳的推進型式和工作機理不同，其槳葉的運動特征和水動力性能相比螺旋槳更加復雜。自上世紀三十年代以來，直翼推進器水動力理論和實驗研究工作在一些國家開展，出現了多種理論計算模型和方法，典型的包括谷口中提出的基于動量定理的準定常流動模型[3-4]，多國學者后來在此方法基礎上也進行了相應改進[5-6]。近年來，隨著計算機技術和計算流體力學的發(fā)展，眾多學者開始通過數值方法對常規(guī)螺旋槳水動力性能開展仿真分析[7-8]，也為直翼推進器水動力特性的研究開辟了新的途徑。

本文以某型直翼推進器的縮比試驗模型為研究對象，利用CFD 方法對其進行了建模與仿真，對不同工況下的流場特性、敞水性能、槳葉載荷等水動力特性進行了研究，并針對不同槳葉結構參數對推進性能的影響進行了比較分析。

圖1 直翼推進器Fig.1 Configuration of the cycloidal propeller

1 直翼推進器工作原理

直翼推進器工作過程中，槳葉以圓周速度ω繞轉盤中心轉動的同時，以速度V沿船前進方向運動，其合成運動軌跡為圖2所示的擺線。圖中N0點為槳葉轉軸合成速度法線的交點，也即為轉盤的速度瞬心。

圖2 槳葉運動軌跡Fig.2 Motion trajectory of a propeller blade

在槳葉驅動機構的作用下，每片槳葉在隨轉盤轉動的同時，也在繞各自轉軸擺動。槳葉垂線與極軸的交點N稱作控制點，控制點的偏心距與槳葉旋轉半徑之比定義為控制點的偏心率e。當控制點位于速度瞬心處時，槳葉弦線始終與來流方向一致，此時槳葉攻角始終為0，槳葉不產生推力。當控制點的中心距大于速度瞬心半徑時，如圖3 所示，除在0°和180°位置外，槳葉弦線始終與來流方向形成攻角，遂使槳葉產生升力L，其前進方向的分力LX即為推力。槳葉升力與阻力對槳轉盤中心的合力矩即為槳葉轉矩q。

直翼推進器的主推力為各槳葉旋轉一周的平均主推力的疊加，即

式中，LX(Φ)為槳葉在轉盤轉角Φ時的主推力，z為槳葉數量。同理，推進器轉矩可表示為

圖3 槳葉推力的產生Fig.3 Thrust generation on the propeller blade

將主推力及轉矩無因次化，可得主推力系數KT、轉矩系數KQ及推進效率η分別為

式中，ρ為水的密度，n為推進器轉速，D為槳葉回轉直徑，L為槳葉長度，J為進速系數。

2 直翼推進器計算模型

2.1 幾何模型

本文以某型直翼推進器的縮比試驗模型為研究對象，試驗模型參數見表1。

表1 縮比試驗模型主要參數Tab.1 Main properties of the reduced-scale test model

2.2 計算域和網格

直翼推進器流場計算域分為外域和內域兩部分，如圖4所示。內域以推進器轉軸為中心，直徑為1.5D（D為槳葉回轉直徑）；外域為推進器外圍立方體區(qū)域，長度與寬度為10D，深度為2D。此外，在內域中，以各葉片轉軸為中心，設置直徑為2.25C（C為槳葉弦長）區(qū)域為葉片域。

計算域網格劃分中，內域和外域之間、葉片域和內域交界面采用滑移網格，既能實現既定運動又能節(jié)省計算資源[9]。同時，由于葉片在轉動的同時自身擺動，其流動為非定常流動，且在某些方向角時葉片處于深度失速狀態(tài)，因此需要采用高質量網格捕捉流場細節(jié)。為此，葉片周圍采用結構化網格劃分并適當加密，其他計算域采用非結構網格以簡化網格劃分過程。網格劃分結果如圖5所示。

圖4 流場計算域Fig.4 Division of computational domain for flow field model

圖5 計算域網格劃分Fig.5 Mesh division of computational domain for flow field model

2.3 湍流模型與邊界條件

本研究采用剪切應力輸運模型（Shear Stress Transport Model，簡稱SST 模型）作為湍流模型。SST模型集合了k-ε和k-ω模型的優(yōu)點，在近壁面區(qū)域采用k-ω，湍流耗散較小，收斂性好。在湍流充分發(fā)展的區(qū)域采用k-ε模擬，計算效率高，對復雜流場適應性更好。

邊界條件設置中，進口、底部邊界、左邊界和右邊界設為速度入口，出口為壓力出口，上邊界為壁面。

3 計算結果與分析

3.1 壓力云圖與速度云圖

圖6分別給出了偏心率e=0.6時不同進速系數下直翼推進器某截面的壓力云圖和速度云圖。

圖6 直翼推進器CFD仿真云圖Fig.6 Pressure and velocity contours of calculated results

從壓力云圖可以看出，在槳葉運動規(guī)律的控制下，葉片在前半圈（圖3中180°～360°）和后半圈（圖3 中0°～180°）時壓力面、吸力面互換，產生的推力都指向航行方向。而且，進速系數越低，葉片的壓力差越大，槳葉產生的推力越大。

從速度云圖中可以看出，來流經前半圈葉片作用后速度增加，經后半圈葉片再次作用后加速向后流出。進速系數越低，葉片誘導的向后流速越大。同時可以看出，流場高速區(qū)偏向于0°～90°、270°～360°區(qū)域，這是由于該區(qū)域葉片攻角相對較大引起的。

直翼推進器的葉片因與水流兩次作用而提高了推進效率。同時，后半圈的葉片會與前半圈的葉片的泄出渦相互作用，使得葉片的受力更加復雜化。

3.2 敞水性能

圖7給出了上述縮比直翼推進器試驗模型直航工況下不同偏心率時的水動力CFD 仿真結果和相應的敞水性能曲線。

從圖中可以看出，在一定的偏心率e下，隨著進速系數J的增加，推力系數KT與轉矩系數KQ持續(xù)減小。偏心率增大，推進器產生正推力的進速系數范圍隨之變大。進速系數一定時，隨著偏心率的增大，推力系數KT與轉矩系數KQ也隨之增大。

同時，偏心率一定時，推進效率η隨著進速系數J的增加呈先增大后減小的趨勢，且增大的趨勢比減小的趨勢緩，并在較大進速系數處達到峰值。隨著偏心率的增大，正效率的進速系數范圍增大，推進器的最大效率也隨之增高。但在進速系數較低時，推進效率隨著偏心率的增大而減小。因此，對于直翼推進器，可以通過偏心率的調節(jié)，實現不同工況下的推力與效率的最大化。

此外，從圖中可以看出，數值仿真結果與試驗數據的變化趨勢一致且符合性較好，誤差控制在9%以內，從而驗證了本研究中所采用的建模方法的準確性。

圖7 敞水性能曲線Fig.7 Comparison of calculated and experimental open water characteristics

3.3 單槳葉載荷

圖8 為隨轉盤旋轉過程中，無因次化后單葉片的主推力系數KLX、側推力系數KLY以及繞槳葉轉軸的轉葉力矩系數KMZ的變化曲線。從圖中可以看出，葉片載荷隨著轉盤轉角的變化以360°為周期變化。隨著進速系數的增大，葉片載荷也隨之減小。

對于主推力系數，當槳葉位于0°和180°時主推力系數為0，在300°附近主推力系數達到最大值，此時槳葉攻角最大。而且前半圈葉片主推力系數明顯大于后半圈，這是由于來流經前半圈的葉片誘導作用后速度增加，致使后半圈的葉片與水流作用的攻角減小引起的。側推力系數在一個周期內正負交變，當槳葉位于120°和240°附近時分別達到正向和負向最大。整槳多葉片側推力的疊加將使船體產生橫搖，成對安裝旋向相反的推進器則可抵消橫搖的效果。轉葉力矩系數變化規(guī)律與主推力系數相似，在300°附近達到最大值。

葉片載荷的波動幅值和周期是葉片強度校核的依據。

圖8 單槳葉水動力載荷Fig.8 Hydrodynamic loads of propeller blade

4 槳葉主要結構參數對推進性能的影響

為研究直翼推進器主要結構參數對水動力性能的影響，本文以前述縮比試驗模型為研究對象，運用CFD 仿真分析方法，就槳葉數量、槳葉弦長、葉厚、槳葉轉軸位置等主要結構參數對推力系數KT、轉矩系數KQ、推進效率η及推力波動幅值AMT等推進器水動力性能的影響進行了分析。

4.1 槳葉數量

圖9為不同槳葉數量對水動力性能的影響分析結果。分析中，槳葉弦長不變，葉片數量分別選取3～6片。從分析結果可以看出，推力系數與轉矩系數隨著葉片數量的增加而增大，但后者增大率更大，因此推進效率隨著葉片數量的增加而減小。但在進速系數較低時，葉片數量對推進效率的影響較小。從圖9（d）可以看出，葉片數為5時推力波動幅值最小，6葉次之，3葉最大。因此，綜合考慮推力與效率因數，5葉槳和6葉槳的直翼推進器的推進性能較優(yōu)。

圖9 槳葉數量對水動力性能的影響Fig.9 Hydrodynamic characteristics with different blade number

4.2 槳葉弦長

圖10 槳葉弦長對水動力性能的影響Fig.10 Hydrodynamic characteristics with different blade chord length

4.3 槳葉厚度

葉厚對水動力性能的影響分析中，槳葉截面采用NACA 對稱截面，截面最大厚度在0.3倍弦長處，槳葉相對厚度t/b分別選取0.10、0.12、0.15、0.18。圖11 為分析結果，從圖中可以看出，葉厚對主推力大小的影響較小，在低進速系數區(qū)域，相對厚度為0.12 和0.18 時推力較大。轉矩隨葉厚的增加而減小，在較低進速系數時尤其明顯，因此推進效率隨著葉厚的增加而增加。同時，隨著葉厚的增加，主推力的波動幅值逐漸變小。從分析結果可以得出，相對厚度為0.18的槳葉綜合性能較優(yōu)。

圖11 槳葉厚度對水動力性能的影響Fig.11 Hydrodynamic characteristics with different blade thickness

4.4 轉軸位置

圖12 槳葉轉軸位置對水動力性能的影響Fig.12 Hydrodynamic characteristics with different blade shaft position

圖12 為槳葉轉軸位置分別為20%、30%、40%、50%、60%弦長時的水動力分析結果。從圖12（a）中可以看出，進速系數較小時，轉軸位置靠前時推力較大，而進速系數較大時，轉軸位置靠后時推力較大。從推進效率角度看，如圖12（c）所示，槳葉轉軸位置在30%弦長時推進效率最高，40%和50%弦長位置次之，20%弦長位置推進效率最低。推力波動方面，從圖12（d）中可以看出，轉軸位置在槳葉弦線中部靠前時，推力波動幅值較小。綜合各因素考慮，槳葉轉軸在30%弦長附近時推進器性能較優(yōu)。

5 結 論

本文介紹了直翼推進器的工作原理，以某型直翼推進器的縮比試驗模型為研究對象，利用CFD方法進行了水動力建模與仿真，得到以下結論：

（1）對直翼推進器CFD 仿真方法進行了研究，對計算域網格劃分方法、湍流模型及邊界條件的設置等計算前處理進行了分析，并通過將數值仿真結果與試驗數據的比較，驗證了所采用仿真方法的準確性。

（2）通過數值模擬，得到了直翼推進器的流場特性云圖、敞水性能曲線，以及單槳葉的水動力載荷系數曲線，為直翼推進器流場特性分析、水動力性能預報、槳葉及推進器機構強度校核提供了依據。

（3）通過仿真的方法，就槳葉數量、槳葉弦長、槳葉厚度、轉軸位置等主要結構參數對水動力性能的影響進行了分析，確定了槳葉主要結構參數的取值范圍，為槳葉結構設計提供了幫助。