基于Visual Basic 6.0的螺旋槳設計及性能預報軟件

徐欣偉 葉恒奎 管延敏

華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢 430074

基于Visual Basic 6.0的螺旋槳設計及性能預報軟件

徐欣偉 葉恒奎 管延敏

華中科技大學船舶與海洋工程學院，湖北武漢 430074

隨著船舶行業的不斷發展，迫切需要一種設計軟件來提高螺旋槳的設計效率。基于Visual Basic6.0開發平臺，結合Fortran和動態鏈接庫技術，實現了螺旋槳設計及水動力性能預報軟件的設計。軟件運用升力線理論完成了螺旋槳的設計與優化，進而運用升力面理論對螺旋槳的性能進行了預報。該軟件界面友好、功能完善、可視性強，試驗結果證明，能快速準確地進行螺旋槳設計及性能預報，提高了螺旋槳的設計效率，具有良好的使用性。

Visual Basic 6.0；動態鏈接庫；螺旋槳；升力線；升力面

1 引言

隨著航運業和科學技術的不斷發展，現代船舶不斷向大型化、高速化方向發展，螺旋槳［1］作為在現代船舶上應用最廣泛的推進器，其性能優劣在整個船舶設計過程中具有舉足輕重的地位［2］。船舶螺旋槳理論研究是用流體力學的理論方法來解決螺旋槳的理論設計和性能計算問題，其力學模型主要有螺旋槳升力線理論、升力面理論［3］和面元法［4-5］。本文運用升力線理論和升力面理論制作了螺旋槳設計及性能預報軟件，能在已知船型參數的情況下進行螺旋槳設計，并且能與現有螺旋槳進行對比和優化。

2 軟件概述

螺旋槳設計及性能預報軟件主要適用于船舶螺旋槳設計及優化，由Visual Basic調用動態鏈接庫（Dynamic Link Library）來實現。Visual Basic是由美國微軟公司開發的一種可視化、面向對象和采用事件驅動方式的結構化高級程序設計語言，可以高效、快速地開發在Windows環境下功能強大、圖形界面豐富的應用軟件系統。動態鏈接庫是可被其他程序或動態鏈接庫調用的由函數（過程）集合組成的可執行文件模塊，它本身并不能運行，只能被Visual Basic和Visual C++等其它語言調用［6］。本文嘗試將Visual Basic應用到螺旋槳設計及優化中，收到了良好的效果。

3 軟件設計

3.1 軟件的構成

根據螺旋槳設計的特點，本軟件分為兩個部分，即升力線理論設計和升力面理論設計。通過采用這種方式，用戶可以通過以上方式從不同的方面來對螺旋槳進行設計和優化。軟件的主要功能如下：

1）用螺旋槳升力線理論設計船用螺旋槳；

2）進行船用螺旋槳強度分析計算；

3）進行船用螺旋槳總圖繪制［7］；

4）用定常升力面理論計算螺旋槳的水動力性能。

3.2 軟件結構圖

軟件的結構如圖1所示。

圖1 軟件結構圖Fig.1 Software structure

3.3 動態鏈接庫的實現

用Fortran函數創建一個動態鏈接庫，其步驟為：首先建立一個新的Fortran的工程，在project中選擇Fortran Dynamic Link Library，然后將所需要的Fortran代碼添加進去，編譯之后，就會在Debug文件夾中產生動態鏈接庫。若需調用，只需將.dll和.lib文件添加到所需的文件夾中即可［8］。以下為兩個數求和的實現。

ATTRIBUTES是Fortran用于聲明微軟擴展屬性的元命令，DLLEXPORT的作用是聲明該函數或子程序能被其他程序或動態鏈接庫調用。其中，ATTRIBUTES和DLLEXPORT必須大寫。abc為動態鏈接庫名。

Visual Basic在調用Fortran動態鏈接庫時，首先應在Visual Basic相應的Form中對被調用的動態鏈接庫進行聲明，語法為Private Declare Sub abc Lib＂abc.dll＂（a As integer，b As integer，c As integer）。其中，Declare語句的作用是聲明對動態鏈接庫的引用，abc Lib和abc.dll是動態鏈接庫的名字。

3.4 升力線理論設計

在升力線理論設計中，螺旋槳環流理論設計有兩種方法：一種為近似法，另一種為精確法。這兩種方法的差別主要是在周向和軸向誘導速度的處理，以及升長系數和環量計算方面有所不同，其他設計方法基本一致［9］。本文依據上述理論和方法進行了螺旋槳設計，并在此過程中將兩種方法求得的周向和軸向誘導速度、環量分布和升長系數進行了對比。

3.4.1 近似法

引入假定：螺旋槳尾流不收縮、忽略徑向誘導速度、總的誘導速度與入流速度垂直等，按照上述假定，軸向和切向誘導速度之間有簡單的三角關系表達式，且與哥爾斯坦函數k相關，Kramer曲線用來作為螺旋槳效率的第一次近似，以便于初步估算螺旋槳的水動螺距角。

推力系數：

將推力系數CT轉化為理想推力系數CTi：

利用Kramer建立的敞水最佳螺旋槳理想效率曲線，由理想推力系數和進速系數便可獲得理想效率。

對于螺旋槳的進角，有

對于螺旋槳的水動螺距角，有

對于非最佳均勻流螺旋槳，Kramer曲線可以用作第一次近似。用Kramer曲線可獲得在0.7半徑處的tanβi，它是徑向任意螺距分布的基礎。

推力系數CTi可以用下式進行計算：

式中，k為哥爾斯坦函數；λi＝xtanβi；xh為槳轂處的無因次半徑；ut為切向誘導速度。

對于非粘性流，首先用Kramer曲線獲得理想效率ηi，作為估計值，可根據下式來計算水動螺距角。

推力系數CTSi可以用下式進行計算：

3.4.2 精確法

在用精確法進行螺旋槳升力線理論設計過程中，與近似法的不同之處主要在于，精確法計算了誘導因子、周向和軸向誘導速度，以及環量分布和升長系數。因此，計算程序除了以上差別外，其他部分完全相同。

在本軟件的設計中，采用了如下6種不同的方法來進行設計和比較：

1）均勻水流中的最佳環量螺旋槳設計計算（近似法）；

2）適應伴流中的最佳環量螺旋槳設計計算（近似法）；

3）均勻水流中的最佳環量螺旋槳設計計算（精確法）；

4）適應伴流中的最佳環量螺旋槳設計計算（精確法）；

5）均勻水流中的任意環量螺旋槳環量分布（精確法）；

6）適應伴流中的任意環量螺旋槳環量分布（精確法）。

界面如圖2所示。

3.5 升力面理論設計

升力面法適用于槳葉較厚、彎度較大的螺旋槳，而且還可計算其槳葉表面的壓力分布。其理論設計主要是利用定常升力面理論計算方法來計算螺旋槳的水動力特性［10］。依據網格劃分法，劃分槳葉渦網格如下。

在葉片區，在槳葉拱弧面上共劃分MB×NB個四邊形渦網格，在每個渦網格的弦向和徑向邊上都進行渦分布，并在徑向邊上進行源分布［11］，如圖3所示。

在徑向渦線段上分布源匯，是為了表示葉剖面厚度的影響。由于徑向環量是處于輻向平面上，根據海姆霍茲定理，在徑向渦線的兩端，一定有自由渦線引出來，自由渦線沿著相鄰上下弦向線延伸到隨邊，然后，在隨邊后順著尾渦方向繼續向后延伸，自由渦線與徑向渦線一起構成一個馬蹄形渦。因此，可以用葉面徑向馬蹄形渦分布來代替葉面四邊形渦網格分布，這樣，葉面上就共有MB×NB個馬蹄形渦及MB×NB個源匯［12］，如圖4所示。

葉片上下表面總的誘導速度分別為：

上表面：

界面如圖5所示。

4 計算實例

4.1 升力線實例

以“最佳環量敞水螺旋槳（近似法）”為例，已知參數如下：

1）槳型參數：槳型為NACA－66型，槳葉數為5，螺旋槳直徑3.81 m，轉速300 r／min，空泡裕度為0，槳軸中心水下深度為3.658 m。

2）環境及材料參數：水密度為1 025 kg／m3，材料許用應力86.21 MPa。

3）動力參數：軸馬力為32 600 hp，轂徑比為0.2，船舶航速35 kn，推力減額0.05，螺旋槳單槳阻力889 600 N。

經運行程序進行計算后，得到的結果如表1、表2所示。

經過升力線優化后的螺旋槳CAD圖如圖6所示。

4.2 升力面實例

1）在進行升力面理論計算時，選用DTRC 4119型螺旋槳，進速系數0.833，遠尾流梢渦螺距角20.34，過渡尾流區外螺距角18.14。

表1 螺旋槳幾何參數Tab.1 Geometric parameters of propeller

表2 水動力參數Tab.2 Hydrodynamic parameters

程序計算結果如表3所示，與試驗結果相比，誤差在5%以內。升力面計算網格如圖7所示，槳坡面壓力分布系數如圖8、圖9所示。

5 結束語

表3 DTRC4119螺旋槳計算結果與試驗結果的比較Tab.3 The results of propeller DTRC4119 compared with the experiment results

將Visual Basic應用于螺旋槳設計及性能預報軟件的開發中，不僅界面友好，而且還能提供多種螺旋槳設計方式以及CAD繪圖的輸出，能將圖形直觀地予以顯示，大大提高了螺旋槳設計開發的速度，具有良好的使用價值。

該軟件計算結果準確，與試驗結果相比，誤差在5%以內。

［1］ CARLTON J.Marine propellers and propulsion［M］.Oxford：Butterworth Heinemann，2007.

［2］ 盛振邦，劉應中.船舶原理［M］.上海：上海交通大學出版社，2003.

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［5］ KERWIN J E，KINNAS S A，LEE J T，et al.A surface panel method for the hydrodynamic analysis of ducked propellers，ADA192569［R］.Massachusetts Inst.of Tech. Cainbridge Dept.of Ocean Engineering，1987.

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Development of Propeller Design and Performance Prediction Software Based on Visual Basic 6.0

Xu Xin－weiYe Heng－kuiGuan Y an-min
College of Naval Architecture and Ocean Engineering，Huazhong University of Science and Technology，Wuhan 430074，China

High efficient design software is increasingly important to the development of propeller as much progress has been made in the ship industry.The propeller design software integrated with prediction of hydrodynamic performance was developed in the Visual Basic 6.0，coupled with the Fortran and dynamic link library technology.This user－friendly software use lifting line method to realize propeller design and optimization，and then by lifting surface method to predict hydrodynamic performance.The experiment results proof that the software provides benefits in the following：complete functions and high level of visual effect and good usability in rapid and accurate predictions and design.

Visual Basic 6.0；dynamic link library；propeller；lifting line；lifting surface

U661.1

A

1673－3185（2011）02－46－06

10.3969/j.issn.1673-3185.2011.02.009

2010-06-08

徐欣偉（1987－），男，碩士研究生。研究方向：船舶與海洋水動力分析。E-mail：xxw1987＠foxmail.com葉恒奎（1946－），男，教授，博士生導師。研究方向：水動力學研究。E-mail：yhk484388＠sina.com