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扭曲舵空泡觀測實(shí)船試驗(yàn)研究

2021-03-29 10:06葉金銘于安斌王友乾曹彥濤
船舶力學(xué) 2021年3期
關(guān)鍵詞:舵角舵面航速

葉金銘,于安斌,王 威,王友乾,曹彥濤

(1.海軍工程大學(xué)a.艦船與海洋學(xué)院;b.振動與噪聲研究所,武漢430033;2.海軍上海地區(qū)裝備修理監(jiān)修室,上海200135;3.中國船舶科學(xué)研究中心船舶振動噪聲重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無錫214082)

0 引 言

近年來,由于艦船向著高速化和大型化方向發(fā)展,特別是對于高速艦船,處于螺旋槳后工作的舵葉振動和空化剝蝕也越來越嚴(yán)重,因此對舵性能的考慮也越來越全面。由于螺旋槳尾流的旋轉(zhuǎn)作用,常規(guī)舵在0o舵角時(shí),舵葉在不同展向位置的來流相對舵葉剖面會存在一定的迎流攻角,導(dǎo)致舵的左右兩面壓力不對稱,吸力面會存在明顯的低壓區(qū)。隨著航速的增加,舵角的增大,低壓區(qū)壓力會不斷降低,當(dāng)航速增加到某一定數(shù)值時(shí),低壓區(qū)壓力降到水的汽化壓力,舵葉表面就會發(fā)生空化。艦船在海上航行時(shí)直航是最主要的航行狀態(tài),但在實(shí)際情況中,由于海上風(fēng)浪流的影響,艦船為了保持直航,需要不停地來回打小舵角,加劇了艦船直航時(shí)常規(guī)舵葉的空化問題[1]。而舵空化正是引起舵葉表面空化剝蝕、振動和噪聲大幅增加的重要原因[2]。

20世紀(jì)90年代美國海軍為測試槳和舵的水動力性能和噪聲特性,進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)船航行舵空泡觀測試驗(yàn)[3]。試驗(yàn)表明,即便是中等海況下保持航向航行,在23 kn 航速下舵表面即出現(xiàn)空泡,而舵空化引起的空化剝蝕在后來的塢修中也被證實(shí)。作者為深入了解常規(guī)舵的空化剝蝕情況,實(shí)地調(diào)研得到如圖1 所示的某水面艦船的舵剝蝕照片??梢钥闯龆婷婵拷熬壧幇l(fā)生了大量的涂料脫落,而這一區(qū)域正是空化發(fā)生的位置,說明舵面發(fā)生了嚴(yán)重的空化剝蝕。

圖1 舵空化剝蝕情況Fig.1 Denudation of rudder

最早提出扭曲舵思想的是Tuin,其最初設(shè)計(jì)目的是充分利用螺旋槳尾流的能量以提高推進(jìn)效率。為解決水面艦船的舵空化問題,學(xué)者們則開始對扭曲舵的抗空化性能進(jìn)行研究。國外對該領(lǐng)域的研究相對較多,Shen[4]在美國大型空泡水洞中對扭曲舵和常規(guī)舵進(jìn)行了對比試驗(yàn),模擬船舶伴流、船槳干擾,在給予模型較高的流速下發(fā)現(xiàn),與常規(guī)舵相比,扭曲舵的水動力性能得到了明顯提高,扭曲舵不易發(fā)生空泡剝蝕,能夠有效補(bǔ)償由推進(jìn)器與船體引起的來流攻角,且其升力不亞于常規(guī)舵。目前,這種扭曲舵已經(jīng)成功應(yīng)用于阿利伯克級導(dǎo)彈驅(qū)逐艦。Nishiyama[5]為解決集裝箱船半平衡舵的空化問題,提出了進(jìn)流角計(jì)算的經(jīng)驗(yàn)公式和扭曲舵的解決方案。Mewis[6]首先針對集裝箱船設(shè)計(jì)出了扭曲舵,該扭曲舵的上端和下端朝著相反的方向進(jìn)行扭曲,不僅具有良好的抗空化性能,還可以提高推進(jìn)效率。而第24 屆ITTC 會議[7]指出,該扭曲舵在槳軸處的不連續(xù)性可能會加劇轂渦以及其引起的空化剝蝕。Kim[8]針對扭曲舵的設(shè)計(jì)提出了一種基于渦格法的遺傳算法。Choi、Ahn 等[9-10]則針對大型集裝箱船的扭曲舵進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)研究。

國內(nèi)葉金銘[1,11-13]提出了抗空化扭曲舵的設(shè)計(jì)方法,分別采用CFD 方法和面元法比較了扭曲舵和常規(guī)舵的空化起始航速,結(jié)果表明扭曲舵在0°舵角時(shí)的空化起始航速可提高5.9 kn左右。王威[14]則采用CFD 方法對扭曲舵的水動力性能進(jìn)行評價(jià)并通過拖曳水池的舵力測量試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。于安斌[15]在空泡水洞中針對扭曲舵和常規(guī)舵開展了舵空泡觀測模型試驗(yàn),結(jié)果表明扭曲舵具有良好的抗空化性能。

本文針對某水面艦船的舵空化問題,在前期研究的基礎(chǔ)上,以該船的常規(guī)舵為母型,在不改變主要尺寸和接口的前提下進(jìn)行抗空化扭曲舵設(shè)計(jì)和加工,并在該船上完成了常規(guī)舵和扭曲舵的空泡觀測實(shí)船試驗(yàn),驗(yàn)證扭曲舵的抗空化性能,從而為扭曲舵在水面艦船上的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 扭曲舵抗空化性能實(shí)船驗(yàn)證試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)對象

試驗(yàn)船為雙槳雙舵,以左舵向左打舵為研究狀態(tài),觀測其內(nèi)側(cè)的空化現(xiàn)象,其操舵示意如圖2 所示。試驗(yàn)對象為某水面高速艦船的實(shí)尺度常規(guī)舵以及在常規(guī)舵基礎(chǔ)上進(jìn)行改型設(shè)計(jì)得到的實(shí)尺度扭曲舵,如圖3所示。

圖2 操舵示意圖Fig.2 Diagram of controlling rudder

圖3 實(shí)船舵Fig.3 Real ship′s rudder

1.2 試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)主要通過伸到船體外部的內(nèi)窺鏡實(shí)現(xiàn)舵空化的觀測。試驗(yàn)前,對船底板進(jìn)行開孔并通過螺栓密封。試驗(yàn)時(shí),將螺栓拆下,換裝密封球閥,然后將內(nèi)窺鏡伸入球閥觀測。內(nèi)窺鏡下端與船底板之間通過密封球閥連接(圖4a),內(nèi)窺鏡上端與CCD相機(jī)鏡頭連接(圖4b)。

圖4 試驗(yàn)裝置Fig.4 Test apparatus

CCD 相機(jī)則連接到電腦實(shí)時(shí)成像,其示意圖如圖5 所示。試驗(yàn)過程中,首先通過轉(zhuǎn)動內(nèi)窺鏡,由電腦實(shí)時(shí)顯示的圖像尋找一個(gè)周向最佳觀測位置,以合理記錄空泡產(chǎn)生和發(fā)展的區(qū)域;然后在達(dá)到所需工況時(shí),通過電腦進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和存儲。常規(guī)舵空泡觀測實(shí)船試驗(yàn)完成后,進(jìn)船塢換裝扭曲舵,再按照以上方法進(jìn)行扭曲舵空泡觀測實(shí)船試驗(yàn)。

圖5 舵空化觀測示意圖Fig.5 Diagram of rudder cavitation observation

1.3 試驗(yàn)環(huán)境和試驗(yàn)工況

1.3.1 試驗(yàn)環(huán)境

試驗(yàn)環(huán)境對舵空泡觀測影響較大,為保證觀測效果,實(shí)船試驗(yàn)環(huán)境必須滿足一定要求,主要包括:

(1)試驗(yàn)必須在水質(zhì)清澈的海域進(jìn)行,水深不小于30 m,并要求在天氣晴朗時(shí)實(shí)施;

(2)試驗(yàn)時(shí)海區(qū)的風(fēng)力不大于3級,浪高不大于3級,流速不大于2 kn;

(3)艦船的縱傾狀態(tài)應(yīng)與設(shè)計(jì)狀態(tài)相一致,相對于設(shè)計(jì)狀態(tài)允許有小于0.1%設(shè)計(jì)水線長的縱傾偏差,但不允許有首傾;橫傾角不大于0.5°;

(4)艦船船體水下部分、螺旋槳和附體應(yīng)清潔光滑;

(5)所有的供應(yīng)品、備品、工具和消耗材料等應(yīng)按規(guī)定位置安放妥當(dāng)并固定牢靠;

(6)所有的艙室設(shè)備、可拆鋪板等均須安放在規(guī)定的位置并固定牢靠,甲板上設(shè)備與艙面屬具須按航行狀態(tài)緊固。

1.3.2 試驗(yàn)工況

實(shí)船為雙槳雙舵,左右操舵具有對稱性,故本試驗(yàn)僅研究向左操舵工況。由于舵主要處于螺旋槳槳盤面中心以上區(qū)域,常規(guī)舵各展向剖面翼型的速度示意圖如圖6所示。

圖6 常規(guī)舵剖面速度示意圖Fig.6 Velocity diagram of general rudder’s section

當(dāng)常規(guī)舵保持0°舵角時(shí),作用在舵各剖面翼型的橫向速度Vy指向內(nèi)側(cè),軸向速度Vx由前緣指向尾緣,合成速度Va與舵剖面翼型中線存在指向內(nèi)側(cè)的入射角α0,可判斷翼型內(nèi)側(cè)為吸力面,外側(cè)為壓力面,因此對比兩種舵的空化現(xiàn)象時(shí)只需觀測內(nèi)側(cè)吸力面空化。進(jìn)一步地,當(dāng)常規(guī)舵向左操舵α1舵角時(shí),左舵各剖面翼型的入射角αL= α1+ α0,右舵各剖面翼型的入射角αR= α1- α0,即αL> αR。而當(dāng)翼型一定時(shí),入射角越大,吸力面的最大減壓系數(shù)就越大,越容易發(fā)生空化,即此時(shí)左舵吸力面比右舵吸力面更易發(fā)生空化,故針對左舵吸力面的空化進(jìn)行觀測即可。而當(dāng)分析對象為扭曲舵時(shí),舵保持0°舵角時(shí)各剖面的入射角α0近似為0°,則將扭曲舵進(jìn)行向左操舵時(shí),左舵和右舵的入射角近似相等,故就扭曲舵而言,同樣只研究左舵即可。因此,以左舵為研究對象,當(dāng)其向左操舵時(shí)觀測其內(nèi)側(cè)吸力面的空化現(xiàn)象即可有效對比兩種舵的抗空化性能。

為有效對比扭曲舵和常規(guī)舵的抗空化性能,試驗(yàn)主要選定如表1所示工況進(jìn)行實(shí)船舵空泡觀測對比試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)工況Tab.1 Working condition of test

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 舵空泡脈動特性

在進(jìn)行實(shí)船舵空化觀測時(shí),是通過內(nèi)窺鏡進(jìn)行觀察,內(nèi)窺鏡的觀察結(jié)果由CCD相機(jī)進(jìn)行連續(xù)拍照記錄,因此可以得到舵面發(fā)生空化的動態(tài)結(jié)果。經(jīng)分析發(fā)現(xiàn),舵面發(fā)生空化后,空化的范圍會呈現(xiàn)明顯周期性的脈動變化,以普通舵在最大航速下5°舵角時(shí)的舵空泡為例,對舵片空泡的脈動特性進(jìn)行了研究,試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 空泡發(fā)展過程Fig.7 Development process of cavitation

由圖7 可以看出,舵空泡的體積是不斷變化的。其中,圖7(a)為舵片空泡范圍最大的狀態(tài),圖7(b)為空泡開始脫落的狀態(tài),圖7(c)為空泡完全脫落的狀態(tài),圖7(d)則為空泡開始增長的狀態(tài),而空泡的脫落和潰滅正是導(dǎo)致振動和噪聲大幅增加的重要原因。

2.2 固定舵角工況

對水面艦船在設(shè)計(jì)航速和最大航速下固定舵角工況時(shí)的的舵面空化進(jìn)行了對比觀測,其結(jié)果如圖8~9所示。

圖8 設(shè)計(jì)航速下的舵面空化Fig.8 Rudder cavitation at design speed

圖9 最大航速下的舵面空化Fig.9 Rudder cavitation at maximum speed

由圖8 可以看出,在設(shè)計(jì)航速0°舵角時(shí),常規(guī)舵舵面即開始發(fā)生少許片空化,而扭曲舵此時(shí)未發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象;由圖9 可以看出,在最大航速0°舵角時(shí),常規(guī)舵舵面靠近導(dǎo)邊部分發(fā)生了較為劇烈的片空化,扭曲舵此時(shí)仍未發(fā)現(xiàn)空化現(xiàn)象。這證明扭曲舵可有效改善常規(guī)舵在高航速時(shí)0°舵角時(shí)的舵面抗空化性能。

由圖8 可以發(fā)現(xiàn),常規(guī)舵在設(shè)計(jì)航速0°舵角時(shí)舵面即開始發(fā)生空化,而扭曲舵在設(shè)計(jì)航速10°舵角時(shí)仍未發(fā)生空化,故扭曲舵在設(shè)計(jì)航速下的舵面空化起始舵角可提高10°以上;由圖9可以發(fā)現(xiàn),常規(guī)舵在最大航速0°舵角時(shí)舵面發(fā)生了較大面積的空化,其弦向長度約占局部弦長的1/3,而扭曲舵最大航速10°舵角的舵面空泡弦向長度約占局部弦長的1/4,故扭曲舵在最大航速下的舵面空化起始舵角可提高10°左右。當(dāng)進(jìn)速系數(shù)相等時(shí),實(shí)船在不同航速下的速度場成相似關(guān)系,扭曲舵的抗空化效果可認(rèn)為相同。故在相同航速工況下,扭曲舵的舵面空化起始舵角可提高10°左右。

由圖8可以看出,在設(shè)計(jì)航速15°舵角時(shí),扭曲舵舵面開始發(fā)生明顯空化,其弦向長度約占局部弦向長度的1/4,而常規(guī)舵舵面此時(shí)的空化弦向長度基本達(dá)到隨邊處,故此時(shí)扭曲舵的舵面空化范圍要遠(yuǎn)小于常規(guī)舵此時(shí)的空化范圍;由圖9 可以看出,在最大航速10°舵角時(shí),扭曲舵舵面開始發(fā)生空化,其弦向長度約占局部弦向長度的1/4,而常規(guī)舵的舵面片空化最大弦向長度幾乎與局部弦長相當(dāng),故扭曲舵的舵面空化范圍遠(yuǎn)小于常規(guī)舵。因此可認(rèn)為,在相同航速和舵角工況下,當(dāng)扭曲舵發(fā)生空化時(shí),其舵面空化范圍要遠(yuǎn)小于常規(guī)舵。

2.3 直航自動舵工況

對于水面艦船而言,為保持航向航行,需要不斷地來回打小舵角,即為直航自動舵工況。為進(jìn)一步驗(yàn)證扭曲舵的抗空化性能,在中低海況條件下,分別針對常規(guī)舵和扭曲舵開展了直航自動舵工況下的舵空泡觀測試驗(yàn)。圖10 和圖11 分別為設(shè)計(jì)航速和最大航速時(shí)常規(guī)舵和扭曲舵在直航自動舵工況下的舵空泡對比情況,其中直航自動舵工況下的舵空泡情況分別選取了自動操舵時(shí)舵角由小到大時(shí)三個(gè)狀態(tài)的空化照片。

圖10 設(shè)計(jì)航速下直航自動舵工況時(shí)的舵空泡情況Fig.10 Rudder cavitation of auto-pilot at direct route of design speed

圖11 最大航速下直航自動舵工況時(shí)的舵空泡情況Fig.11 Rudder cavitation of auto-pilot at direct route of maximum speed

由圖10 可以看出,在設(shè)計(jì)航速工況下,為保持航向航行,常規(guī)舵舵面處于無空化、有空化和充分發(fā)展空化之間不斷變換,而扭曲舵在操舵的過程中一直未產(chǎn)生空化;由圖11可以看出,在最大航速工況下,為保持航向航行,常規(guī)舵舵面的空化現(xiàn)象一直存在,且在舵角較大時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重空化,而扭曲舵在操舵的過程中依舊未產(chǎn)生空化。而保持航向航行是艦船最常用的航行狀態(tài),因此,扭曲舵可以消除艦船在常用航行狀態(tài)下舵面的空化問題。

2.4 舵下端面和防腐蝕電極影響分析

為解決常規(guī)舵下端面空化問題和舵防腐蝕電極空化問題,在舵下端面處設(shè)計(jì)了一種抗空化導(dǎo)流罩,并將舵中上部位的防腐蝕電極上移一定距離使之靠近船體邊界層,將舵中下部位的防腐蝕電極安裝在舵下端導(dǎo)流罩內(nèi)部(見圖12)。

圖13(a)為巡航航速工況下0°舵角時(shí)的常規(guī)舵空泡觀測圖。如圖所示,常規(guī)舵的下端部和舵面防腐蝕電極處先于舵面發(fā)生了空化,這主要是由于舵下端面和防腐蝕電極處形狀尖銳,易發(fā)生流體分離和空化。圖13(b)為設(shè)計(jì)航速工況下扭曲舵在0°舵角時(shí)的空泡觀測圖。由圖可以看出,原防腐蝕電極位置和舵下端面處未出現(xiàn)空化現(xiàn)象,而扭曲舵在設(shè)計(jì)航速下5°和10°舵角及最大航速下0°和5°舵角時(shí)的空化現(xiàn)象均與此相一致。因此,對防腐蝕電極的安裝位置和舵下端面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后,扭曲舵有效提高了防腐蝕電極和舵下端面處的抗空化性能。

圖12 實(shí)船舵三維圖Fig.12 3D diagram of real ship’s rudder

圖13 實(shí)船舵空泡觀測圖Fig.13 Diagram of rudder cavitation observation of real ship

3 結(jié) 論

為深入驗(yàn)證扭曲舵的抗空化性能,本文開展了扭曲舵和常規(guī)舵的實(shí)船舵空泡觀測對比試驗(yàn),得出以下結(jié)論:

(1)在相同航速工況下,扭曲舵的舵面空化起始舵角可提高10°左右,可以消除艦船常用航行狀態(tài)下舵面的空化問題;

(2)在高航速大舵角工況時(shí),扭曲舵的空化面積遠(yuǎn)小于常規(guī)舵;

(3)在扭曲舵基礎(chǔ)上優(yōu)化的防腐蝕電極安裝結(jié)構(gòu)和新型導(dǎo)流罩起到了良好的抗空化效果;

(4)經(jīng)實(shí)船試驗(yàn)驗(yàn)證,扭曲舵具有良好的抗空化效果,其在水面艦船領(lǐng)域具有優(yōu)良的應(yīng)用前景。

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