收稿日期：2018-01-08
王家新的资料作者简介：张 华，舟山万达船舶设计有限公司。 俘虏兵下载
张 华1，贺行飞2，傅引峥1，许 鑫
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摘 要：本文基于势流理论与CFD 流场分析相结合的粘势耦合的方法，实现消涡鳍和螺旋桨的权衡优化设计，实现推动船舶推进节能设计的发展，为今后节能推进器一体化设计研究提供相应的技术参考。 关键词：消涡鳍；节能；一体化t612
中图分类号：U664.34 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2018）05-0003-02
一、前言
船舶节能技术一直是船舶推进技术中的一个重要话题，无论是节能减排的环境需求， 还是其学科领域的技术发展而言，研究的发展步伐都从未停止过，其中通过螺旋桨设置消涡鳍方案是一种得到工程实践检验的节能技术。但是，目前的消涡鳍设计往往是脱离桨而单独的设计，并且参数的设计大多是通过模型试验的多方案优选来确定， 这在设计周期、设计成本和节能效果的最大化等方面效果不理想。本文将以某型散货船螺旋桨作为目标桨开展桨鳍一体化设计，重点分析消涡鳍的设计要点，评估螺旋桨设置消涡鳍后的节能效果。 二、设计对象
表1为敞水条件下某型散货船螺旋桨的相关参数，本文将通过采用环流理论与CFD 流场分析相结合的粘势耦合的方法，进行消涡鳍设计。
表1 目标螺旋桨参数
桨型 侧斜桨 直径（m ） 4.1 盘面比 0.6 0.7R 螺距比 0.6589 平均螺距比 0.6372 侧斜角 24.2 梢隙比 0.363 重量（kg ）
5,360 空气中惯性矩（kg ·m 2
）
4,210
三、设计方法
在消涡鳍设计之前，先根据经验或由母型方案选取消涡鳍的几何参数，需要确定的消涡鳍参数主要有以下两个部分：
（1）消涡鳍与螺旋桨的相对位置关系，包括桨鳍轴向间距和桨鳍位差角；
（2）消涡鳍自身几何参数，包括弦长分布、厚度分布、直径大小、纵倾分布和侧斜分布等。
消涡鳍几何参数选定后，通过CFD 计算螺旋桨和消涡鳍的诱导速度，得到的结果作为势流理论方法设计消涡鳍的输入条件。
消涡鳍设计输入条件包括两部分，消涡鳍进流条件和消涡鳍的环量分布。首先求解消涡鳍的进流条件。设计伊始，只有螺旋桨的几何型值，所以先选定消涡鳍的轴向位置，从而定出了消涡鳍鳍片的参考线。螺旋桨不带消涡鳍的情况下用CFD 计算的方法可得到此参考线上的速度分布，作为消涡鳍鳍片的进流速度。其次求解消涡鳍的环量分布，具体方法为：在螺旋桨后端某一位置处，设置一消涡鳍，随螺旋桨一起旋转，通过合理调整鳍片参数，使鳍片产生的切向诱导速度与螺旋桨产生的切向诱导速度相互抵消。
（a ）无消涡鳍 b ）带消涡鳍
图1 设计方法原理分析
如图1所示，取一等直径圆柱面ABCDEF ，螺旋桨叶片和消涡鳍鳍片穿过该圆柱面。由于不考虑流场径向速度，当螺旋桨不带消涡鳍时，即对于图1（a ）来讲，由斯托克斯定理可知，下式成立：
P CD
EFA
()p B p r v rd v rd θ
θ
θθ--Γ=
⋅+
⋅⎰⎰ （1）
由于螺旋桨处于均匀流场中，只有轴向进流，因此在EFA 上周向速度为0，所以式（1）转化为：
P CD
下行频率()p B r v rd θ
前理解学说是谁的理论θ
-Γ=
⋅⎰ （2）
当螺旋桨带消涡鳍时，即对于图1（b ），同理可得：
P F ()CD
()()p f B r r v rd θ
θ+-Γ+Γ=
⋅⎰ （3）
设计的目标为消涡鳍直径范围内尾流场平均周向诱导速度为0，即式（3）中
()CD
p f B v rd θ
θ+-⋅⎰为0，转化为：
4 中 国 水 运 第18卷
F
P
()
()r r （4）
将式（2）和式（4）联立可得求解消涡鳍环量的表达式：
F P CD ()()p B r r v rd θθ-Γ=-Γ=-⋅⎰ （5）
因此，当消涡鳍产生的环量满足（5）的关系，与螺旋桨产生的环量正好相互抵消时，即实现了将尾
流场周向诱导速度叠加至零的目的。从上述推导可知：通过计算螺旋桨不带消涡鳍时某半径处的尾流场周向诱导速度，即可得到与之对应的消涡鳍半径位置的环量。求出不同半径处的环量，即可得到消涡鳍的环量分布。
图2为消涡鳍的主要设计流程，图3为目标桨带消涡鳍的三维造型图，表2为目标桨消涡鳍设计方案的主要参数。
图2 消涡鳍设计流程
图3 目标桨带消涡鳍三维模型
表2 消涡鳍主参数
鳍桨直径比 0.283 消涡鳍直径 1.16 m 叶数
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四、消涡鳍设计方案效果评估
在消涡鳍设计完成后，应用CFD 软件对消涡鳍进行节能效果评估计算，通过对均匀来流条件下“螺旋桨”与“螺旋桨+消涡鳍”模型的水动力性能结果对比分析，得到设置消涡鳍后的节能效果。
为了能够比较清楚的表现两种不同类型的推进器的水动力性能差异，定义以下参数：
'δ0Kt Kt =
Kt ，
'
δ0Kq Kq =Kq ，'
δ0ηη=η 式中，0Kt ，0Kq ，0η分别代表“螺旋桨”评估得到的
推力系数、扭矩系数和敞水效率，t K '，q K '，η'分别代表优化设计后“螺旋桨+消涡鳍”评估得到的推力系数、扭矩系数和敞水效率。
取设计点附近的进速系数J 0=0.33进行CFD 评估，结果见表3。由表可见，安装消涡鳍后螺旋桨推力
提高了1.1%，扭矩略降低了1.3%，从而使得推进器的效率增加了2.4%。
表3 目标桨加装消涡鳍后增效效果评估
J 0 δKt
δ
Kq
δη
0.33
1.01
0.987
1.024
认为各进速系数下螺旋桨加装消涡鳍后，其敞水修正关系均与表3所示的设计点处基本相同，通过修正得到加装消涡鳍后的实尺度敞水性能如表4。
表4 目标桨加装消涡鳍后实尺度敞水特性
Jo K T 10K Q η 0.05 0.2932 0.2838 0.0822 0.10 0.2747 0.2693 0.1624 0.15 0.2559 0.2548 0.2398 0.20 0.2368 0.2400 0.3141 0.25 0.2172 0.2248 0.3844 0.30 0.1970 0.2091 0.4498 0.35 0.1763 0.1927 0.5096 0.40
0.1546 0.1754 0.5612 0.45 0.1323 0.1571 0.6034 0.50 0.1092 0.1374 0.6325 0.55 0.0849 0.1166 0.6371 0.60 0.0597 0.0941 0.6053 0.65 0.0334 0.0701 0.4933 0.70
0.0058
0.0442
0.1464
五、结语
本文通过环流理论与CFD 流场分析相结合的粘势耦合
的方法，对螺旋桨进行加装消涡鳍设计，节能效果非常明显，基本实现了螺旋桨和消涡鳍一体化优化设计的目标
参考文献
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