扭曲舵水动力数值计算和自航约束模试验测量研究

王 威，叶金铭

（海军工程大学 舰船工程系，武汉430033）

扭曲舵水动力数值计算和自航约束模试验测量研究

王 威，叶金铭

（海军工程大学 舰船工程系，武汉430033）

建立了桨后舵水动力的CFD数值计算方法，对两种舵的压力分布和舵力进行了比较，结果显示扭曲舵可以明显减小0°舵角时舵上的横向力和舵轴扭矩。在拖曳水池中进行了自航约束模舵力测量试验，对扭曲舵和普通舵的舵力进行了测量，试验结果也表明，在0°舵角时，扭曲舵上的受力状态得到明显改善。将舵力的数值计算结果与试验结果进行比较，两者有较好的一致性，说明建立的数值计算方法可以对桨后舵舵力进行较好的模拟计算。

扭曲舵；螺旋桨；三分力；自航试验

0 引 言

普通舵位于螺旋桨后面，舵面呈对称形式，未考虑到螺旋桨引起的旋转尾流，螺旋桨尾流的能量未能充分利用，还会导致产生比较严重的空泡现象，引起舵面空化剥蚀，空化后舵效也会明显降低，另外，舵的空化还会产生较大的噪音，引起舵和尾部结构振动等一系列不利影响，因此研究提高舵的抗空化性能，对提高舵效和操纵性、抑制空化剥蚀、降低舵引起的振动和噪音是非常必要的。最早提出扭曲舵思想的是Tutin，其基本思想是充分利用螺旋桨尾流的能量，提高推进效率。现在国内对扭曲舵在节能增效方面的研究进行得较多。董国祥[1]用升力面方法计算了扭曲舵的水动力性能，徐一军对扭曲舵的节能可行性进行行了探讨[2]，黄胜、郭春雨、王超等人[3-6]采用面元法计算桨后扭曲舵的水动力性能，助推效率可以达到3%，刘登成等[7]用CFD方法对不同扭曲舵设计方案的节能效果进行了计算比较。根据螺旋桨尾流场特点将舵设计成扭曲舵可以有效解决舵上的空化剥蚀问题[8]，美国海军科学办公室在大型空泡筒中对扭曲舵与普通舵模型进行了对比实验，模拟船舶伴流、船桨干扰以及给予模型较高的流速使其获得高雷诺数。通过实验发现扭曲舵的水动力性能和常规舵相比有明显的提高，扭曲舵比常规舵更不易发生空泡剥蚀，扭曲舵对于补偿由推进器与船体引起的来流攻角非常有效[9-10]，同时，其升力性能并不亚于常规舵。目前这种扭曲舵已经用于阿利伯克级导弹驱逐舰的至少三艘舰艇上（DDG84，DDG104，DDG108），如图1所示，使用后证实这种舵能有效降低舵上的空化剥蚀和激振力，国内汤正兵、朱军将螺旋桨的影响假设成具有一定攻角的来流，简单预估了扭曲舵的空泡起始航速，但总的来说，国内在扭曲舵节能增效方面研究得较多，而在扭曲舵抗空化方面研究得较少。叶金铭等人[11]对抗空化扭曲舵进行了设计，并对普通舵和扭曲舵在不同工况、不同舵角条件下的压力分布进行了计算比较。比较结果显示，扭曲舵的负压力峰值比普通舵明显小，可以大幅提高舵的抗空化性能。

本文主要从操纵性的角度对舵水动力进行数值计算，并在拖曳水池中进行了自航约束模试验，对普通悬挂舵和扭曲舵的舵力进行了测量，将舵力的计算结果与试验结果进行比较，旨在通过数值和试验测量的方法，分析扭曲舵的舵力特性，从而研究扭曲舵的受力状态以及对操纵性能的影响。

1 舵水动力数值计算研究

1.1 扭曲舵的设计

研究对象为某水面船，该船双桨双舵，船模水线长为4.712 m，对应实船设计航速船模速度为2.739m/s，螺旋桨为五叶桨，螺旋桨转速为1 070 rpm。

通过面元法计算出螺旋桨后不同盘面半径处的流体速度，再通过线性插值的方法，可以得到舵面上不同展向位置的横向速度，通过不同展向位置的横向速度与轴向速度便得到扭曲舵的扭曲角度。通过这种方法对某型船的舵进行设计，设计扭曲舵时，舵的弦长与安装位置均不改变，只改变舵面上不同展向位置的扭曲角度。

用面元法计算得到的某型船螺旋桨后在舵轴盘面处各半径的流体速度，通过插值方法得到不同展长位置的横向速度，通过横向速度可以得到扭曲舵的扭曲角度，设计扭曲舵三维视图如图1所示。

表1 计算工况Tab.1 The calculation condition

图1 扭曲舵扭曲角度分布及三维图形Fig.1 The twisted angle distribution and 3D graphic of twisted rudder

1.2计算建模方法和计算工况

建立某型船模型尺度下螺旋桨和舵的整体计算模型，为了使网格数量较少，同时又保证网格质量和计算精度，采用结构网格和非结构混合型网格划分方法，在螺旋桨附近的区域内采用非结构网格，网格划分较密，而在其他区域采用网格质量很高的结构网格，整个计算域分为静止部分和旋转部分，两个部分都有自己独立的网格形式和分界面（如图2），整个计算网格数为810万，采用k-ωSST湍流模型。

图2 计算网格划分情况Fig.2 The calculationmesh

1.3 压力分布计算结果及分析

对普通舵和扭曲舵的在不同工况、不同舵角条件下的压力分布进行了比较。在Vm=2.739m/s，nm= 1 070 rpm工况条件下，两种舵面在各展向位置舵剖面压力分布如图3所示。

图3 两种舵压力分布比较Fig.3 The pressure comparison of two rudders

从压力分布的比较结果可以看出，扭曲舵在不同航速不同舵角下负压力峰值均比普通舵明显减小，这说明扭曲舵可以有效抑制舵空化，提高舵上的空化起始航速。

另外，在各航速工况下，0°舵角时，普通舵叶背压力比叶面压力明显低，而扭曲舵叶背压力分布基本上与叶面压力分布重合，压力成对称分布，这种特点不仅使得扭曲舵的负压力峰值明显减小，而且会使舰船直航时扭曲舵上的横向力和舵轴力矩也会比普通舵小很多，舵横向力和舵轴力矩的计算结果见表2，从表中可以看出在舵角为0°时，扭曲多舵轴上的横向力和舵轴力矩比普通舵小得多，基本上小一个数量级，而且只要进一步对扭曲舵进行改进设计即可以使得0°舵角时扭曲舵上的横向力和舵轴扭矩基本为零，由于舰船航行时直航是主要工作状态，扭曲舵的这种受力特性对舵的受力和舵机的负荷是有利的。

2 自航约束模舵力测量试验

2.1 试验基本情况

为了验证扭曲舵对舵横向力和舵轴的改善效果，在华中科技大学拖曳水池中进行了约束模自航航舵力测量试验，比较分析扭曲舵和普通舵的舵力特性。

试验对象为前文所述的水面船，试验在华中科技大学船模试验水池进行。该水池是国际船模水池会议I.T.T.C的正式成员单位，水池尺度为：长×宽×深=175×6×4（m）。

采用三分力测力传感器对舵力进行测量，可以测量舵的纵向力Fx，横向力Fz以及舵轴扭矩My。图4和图6分别为普通舵和扭曲舵安装图；图5和图7分别表示普通舵和扭曲舵在不同舵角时的船尾流场。

2.2 试验步骤

试验前在拖车上固定好船模，保证船模没有纵倾和横倾。

2.2.1 普通舵舵力测量试验步骤

（1）打开舵力测量记录软件，开始记录；

（2）启动全数字化测控系统，调整螺旋桨转速双车至1 070 rpm，操舵角为0°；

（3）开动拖车速度至2.739m/s，保持拖车速度稳定至试验结束；

（4）拖车回到出发点，重复步骤（1）、（2）、（3）4至5次；

表2 普通舵和扭曲舵横向力及舵轴力矩比较Tab.2 Force comparison of two rudders

图4 普通舵安装图Fig.4 The ordinary rudder at ship model

图5 普通舵不同舵角时船尾流场Fig.5 Thewake behind ship mode at different rudder angles of ordinary rudder

2.2.2 扭曲舵舵力测量试验步骤

普通舵舵力测量完成后，吊装船模，更换普通舵为扭曲舵，重新在拖车上固定好船模，进行舵力测量试验，试验步骤与普通舵完全相同。

图6 扭曲舵安装图Fig.6 The installation of twisted rudder

图7 扭曲舵不同舵角时船尾流场Fig.7 Thewake behind ship mode at different rudder angles of twisted rudder

3 试验结果及分析

3.1 试验结果

试验测量后，对每次的测试结果进行分析，剔除不正常的测量结果，然后将正常的测量结果进行平均处理，普通舵和扭曲舵在0°舵角时测量结果见表3，表中Fx为轴向力，Fz为横向力，My为舵轴力矩。

表3 0°舵角时舵力测量结果Tab.3 The test results of three-com ponent force at 0°rudder angle of the ordinary rudder

图8 普通舵和扭曲舵0°舵角下舵力测量比较结果Fig.8 The comparison of rudder force test results at0°angle between the ordinary rudder and the twisted rudder

从表2可以看出，在0°舵角时，普通舵上的横向力分别为-5.26 N（左舵）和6.53 N（右舵），扭曲舵上的横向力分别为-0.5 N（左舵）和-0.28 N（右舵），扭曲舵上的横向力明显比普通舵小；普通舵舵轴力矩分别为-20.35 Ncm（左舵）和15.21 Ncm（右舵），扣除漂移后扭曲舵的舵轴力矩分别为-3.02 Ncm（左舵）和2.27 Ncm（右舵），因此扭曲舵舵轴上的力矩也比普通舵明显小。这说明在0°舵角时，扭曲舵上的受力状态得到明显改善，对舵机也是有利的。

将舵力试验测量结果与计算结果进行比较，结果如图8所示。从图8可以看出，舵力的计算结果与试验测量结果一致性较好，这说明本文建立的计算方法能够对桨后舵的舵力进行较好的计算。

3.2 回转运动时飘角影响分析

在拖曳水池中进行的约束模试验时无法考虑飘角的影响，但结合作者在操纵水池中进行的操纵性自航试验结果可以对飘角的影响进行初步分析。操纵性试验结果表明，在各种舵角下，两种舵的回转半径非常接近，相差很小。因此可以认为在各舵角下，安装扭曲舵与普通舵引起舰船飘角是基本相同的。由于两种舵引起的飘角相当，因此在各种舵角下普通舵左舵来流和扭曲舵左舵来流的方向基本一致，普通舵右舵来流和扭曲舵右舵来流的方向也基本一致，也就是，扭曲舵和普通舵对舰船的回转性能的影响是基本相同的，引起的飘角也基本相同。

但由于螺旋桨尾流的旋转分量的存在，且左右桨反向旋转，所以螺旋桨在左右舵处引起的横向速度刚好相反，使得左右舵来流方向不一致。

由于普通舵左右舵几何攻角一致，在各展向位置，普通舵左舵和右舵的水动力攻角不一致，左右舵的舵力不一致，一个较大，一个较小。如果采用扭曲舵，在各展向位置，左右桨引起的斜流角与扭曲舵的扭曲角基本是相同的。因此，考虑了飘角、螺旋桨旋转尾流以及舵剖面扭曲角的影响后，在同样的展向位置，扭曲舵左右舵的水动力攻角基本相当，即使有差别，也会比普通舵左右舵的要小得多，水动力攻角介于普通舵左舵水动力攻角和右舵水动力攻角之间，所以扭曲舵左右舵上的舵力也更为接近，大小介于普通舵左舵舵力和右舵舵力之间，而扭曲舵左右两舵舵力之和与普通舵左右两舵舵力之和基本相同。所以考虑了飘角以后，在操相同舵角时，扭曲舵左右两舵舵力大小仍然在普通舵左右舵舵力大小之间，舵的受力状态得到改善。

4 结 语

本文建立了桨后舵水动力的数值计算方法，结果显示，0°舵角时普通舵叶背压力比叶面压力明显低，而扭曲舵叶背压力分布基本上与叶面压力分布重合，这种特点不仅使得扭曲舵的负压力峰值明显减小，而且会使舰船直航时舵上的横向力和舵轴扭矩也会比普通舵小很多。

在拖曳水池中进行了直航约束模舵力测量试验，对普通悬挂舵和扭曲舵的舵力进行了测量，比较分析了扭曲舵和普通舵的舵力特性，试验也结果证明，在0°舵角时，扭曲舵上的横向力和舵轴上的扭矩明显减小，扭曲舵上的受力状态得到明显改善，对舵机是有利的。将舵力的计算结果与试验结果进行了比较，两者有较好的一种性，这说明建立的数值方法能够对舵力进行较好的模拟计算。

[1]董国祥.助推节能扭曲舵性能的理论预报[J].船舶,1994,6:58-63. Dong Guoxiang.The theory prediction for energy saving twisted rudder[J].Ship,1994,6:58-63.

[2]徐一军.扭曲反应舵节能功效的可行性探讨[J].船舶设计通讯,2010,125:21-24.Xu Yijun.Feasibility discussion on energy saving efficiency of twisted rudder[J].Journal of Ship Design,2010,125:21-24.

[3]祝享元,黄 胜,郭春雨,等.桨后扭曲舵的理论设计及水动力性能计算[J].哈尔滨工程大学学报,2008,29(2):126-129. Zhu Xiangyuan,Huang Sheng,Guo Chunyu,etal.Design and performance of a skew rudder behind a propeller[J].Journal of Harbin Engineering University,2008,29(2):126-129.

[4]Wang Chao,He Miao,Wang Guoliang,et al.Design and performance analysis of twisted rudder based on themaximum reduction of rudder resistance[J].Journal of Ship Mechanics,2014,18(3):238-247.

[5]郭春雨,赵庆新,吴铁成,等.船舶附加水动力组合节能技术研究进展[J].舰船科学技术,2014,36(4):1-10. Guo Chunyu,Zhao Qingxin,Wu Tiecheng,et al.Research and development ofmarine hydrodynamic compounded energy-saving[J].Ship Science and Technology,2014,36(4):1-10

[6]齐博慧.扭曲舵水动力性能研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学,2010. Qi Bohui.Research on hydrodynamic performance of twisted rudder[D].Harbing:Harbin Engineering University,2010.

[7]刘登成,黄国富.高效扭曲舵水动力特性数值分析[C]//第十一届全国水动力学学术会议.中国无锡,2011.

[8]Koop A H,Hoiejmakers HW,Schnerr G H,et al.Design of twisted cavitating hydrofoil using barotropic flow method[C]// Sixth International Symposium on Cavitation,September,2006.Wageningen,The Netherlands,2006.

[9]叶金铭,王 威,李 渊.抗空化扭曲舵设计及力学特性研究[C]//2015年船舶水动力学会议.中国哈尔滨,2015.

Study on numerical calculation and self-propulsion test of twisted rudder

WANGWei,YE Jin-ming
(Departmentof Naval Architecture,Naval University of Engineering,Wuhan 430033,China)

In order to study on the force characteristics,a CFD calculation method of the hydrodynamic of propeller and rudder is set up.The pressure distribution and the force of the twisted and ordinary rudders are compared with each other.It is indicated that the twisted rudder hasmuch lower cross force and torque than the ordinary rudder when the rudder angle is zero,which is favorable to rudder and steering engine.A self-propulsion testof twisted rudder is done in the towing tank.The three-component forces of twisted rudder and ordinary rudder aremeasured and compared with each other.The test results show that the cross force on the twisted rudder ismuch smaller than the ordinary rudder at 0°rudder angle.It is favorable for rudder force state.The calculation results of rudder force are compared with the test data,and they agree wellwith each other.The results show that the calculation method can predict the hydrodynamic performance of rudder behind propeller.

twisted rudder;propeller;three-component force;self-propulsion test

U661.3

：Adoi:10.3969/j.issn.1007-7294.2017.01.006

2016-10-07

国家自然科学基金资助（51579243）

王 威（1963-），男，教授，E-mail：wv600@126.com；

叶金铭（1978-），男，副教授，通讯作者，E-mail：yjmcx2318@sohu.com。

1007-7294（2017）01-0045-07