水下螺旋槳技術發展現狀與展望

王曉強 龔正琦

摘 要：本文圍繞水下螺旋槳技術，對目前國內外在相關領域的發展進行了總結。主要關注于水下螺旋槳設計技術，螺旋槳計算流體力學（CFD）技術以及水下螺旋槳優化技術三個方面的研究現狀，分析了各相關技術的研究特點，并展望了水下螺旋槳相關技術研究趨勢，為進一步研究水下螺旋槳技術提供了參考。

關鍵詞：水下螺旋槳;螺旋槳設計;計算流體力學;優化技術

中圖分類號：U661.3? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2021）04-0074-03

螺旋槳推進是水下推進的主要形式。近年來，隨著水下推進動力裝置的大型化、自動化、復雜化程度的提高，對水下螺旋槳技術提出了更高的要求。

水下螺旋槳技術包括水下螺旋槳設計技術、水下螺旋槳計算流體力學（CFD）性能預報技術、水下螺旋槳優化技術等方面。本文對目前水下螺旋槳技術的發展進行了分析與評述，并展望了水下螺旋槳相關研究發展趨勢。

1 水下螺旋槳設計技術

升力線理論[1]是早期螺旋槳設計理論研究的重點，極大地推動了螺旋槳理論設計技術的發展。后續諸多學者主要從設計方法和設計對象提出相應的設計理論。在設計方法方面，針對重載螺旋槳以及非設計工況下[2]基礎設計理論的缺陷，對螺旋槳升力線理論進行改進。考慮到實際工作中槳轂的影響，在設計過程中使用鏡像渦法[3]讓槳轂表面滿足運動學邊界條件，以取得更普遍的適用性。此外，針對具有側斜、縱傾的螺旋槳完善了與之相適應的升力線設計方法。近年來，學者將螺旋槳升力線理論與面元法、雷諾時均（RANS）[4]等結合，用于提高螺旋槳性能預報精度和效率。還有將其與現代優化設計理論[5]相結合，在設計階段考慮螺旋槳的性能優化，提高了螺旋槳的設計效率，對復雜性能目標的設計有指導意義。在設計對象方面，隨著計算速度的提高，升力線理論可以應用到復雜推進器的性能預估和設計。通過誘導速度考慮對轉槳的相互影響[6]、鏡像渦方式計入槳轂和導管[7]等對環量分布的影響，結合升力線理論與特定的應用對象，提出相應的設計方法和預報方法。

近年來，升力面方法被多個學者應用在處理螺旋槳的正向預報問題上，目前研究內容包括螺旋槳過渡區尾渦發生收縮和卷曲、考慮縱傾和側斜適用的梢渦分離模型[8]等，主要針對如何建立螺旋槳尾渦、梢渦以及導邊分離渦模型提出了相應的改進方法。此外，針對螺旋槳與其他組件相互作用時，通過引入槳轂的影響和耦合面元法[9]考慮其他組件影響，提高性能預報精度。而關于升力面設計方法逆問題，由于葉剖面形狀與其負荷形式、效率、空泡等水動力性能密切相關，研究內容主要有渦格法精確并快速設計滿足給定升力分布的拱線，滿足任意環量分布下槳葉拱弧面設計，以及螺旋槳升力面理論邊值問題三維精細化處理[10]等。此外，考慮船體及其附體、導管與螺旋槳的相互作用時，將升力面與RANS等其他理論耦合[11]進行設計，在設計階段比較精準考慮其他組件的影響，進一步提高設計精度和效率。

目前升力線模型已經比較成熟，可以解決涉及螺旋槳推力、轉矩、效率以及槳后誘導速度場的計算等方面的問題，并且所需的計算時間也較為快速，但有一定的局限性。而升力面方法比升力線方法不論是在正向預報問題還是逆向設計問題，能充分考慮槳葉弦長、拱度、螺距的分布情況，具有很大的優勢。針對螺旋槳設計問題，過去大多數研究集中在尾渦變形、槳轂影響以及剖面負載分布的相關升力面設計等問題，而在設計過程中，將升力線、升力面設計方法與面元法或者RANS等方法耦合，考慮各組件的相互影響，對導管螺旋槳、泵噴推進器等一些特種推進器的精細化設計顯得尤為重要，這一部分值得進一步研究。

2 水下螺旋槳CFD性能預報技術

在評估螺旋槳推進性能時，考慮粘性效應的CFD方法可以在精確模擬螺旋槳尾流場復雜流動與槳葉稍渦結構的同時，通過邊界層網格準確模擬近壁面流動，充分考慮的湍流流動對螺旋槳推進性能的影響。伴隨著高性能計算機的發展，粘性流CFD方法強有力地支撐了螺旋槳流體動力性能的預測，目前看來已經是螺旋槳流場數值模擬最主流的方法。

在螺旋槳CFD前處理方面，CFD網格離散方式已經比較成熟，主要研究工作在于針對不同網格類型以及相應的網格布置方式的對比，針對具體計算情況的網格自動程序化生成[12]，以及不同網格離散方式的結合使用等方面[13]。

在螺旋槳CFD計算方法方面，關注點在于評價不同湍流模型[14]在螺旋槳水動力性能計算中的適用性。目前看來，不同湍流模型在測螺旋槳水動力性能時有一定差異，這些工作也對合理選擇適用于具體研究內容的湍流模型給出了可靠的參考。針對螺旋槳這種旋轉機械流場問題，多參考系模型、滑移網格、重疊網格、動網格、周期性邊界等數值方法也都有對應適合的應用場景[15]。

在螺旋槳CFD計算內容方面，目前研究工作主要集中在針對螺旋槳敞水性能、非定常力數值預報、流固耦合、非均勻流場中性能表現以及螺旋槳空泡等領域。其中關于敞水性能，研究內容包括側斜縱傾等螺旋槳參數以及葉頂間隙等導管螺旋槳幾何參數等對敞水性能的影響分析[16]。對于螺旋槳非定常力計算中不同湍流模型的適用情況，國內外均開展了較為廣泛的研究，主要研究不同湍流模型計算精度的對比[17]，從研究結果來看，DES方法與LES方法在處理非定常問題時使用最為廣泛。關于計算設置對非定常計算的影響與新型推進器的非定常性能計算[18]等也有相關研究。在流固耦合計算領域，CFD方法通常與結構有限元法結合使用，主要針對復合材料螺旋槳等變形較大的情況，研究內容包括非定常波動量與結構響應之間的關系[19]，以及復合材料螺旋槳結構與外形參數[20]對于推進性能的影響分析等。CFD方法在預測非均勻流中螺旋槳性能方面也有諸多應用，主要集中在非均勻流場下的軸承力幅值與進流階調的耦合效應[21]，斜流入射下的螺旋槳非定常流體動力載荷[22]，新型推進器在斜流工況下的性能表現[23]等。CFD方法在研究空泡條件下螺旋槳主軸受力的非定常特性[24]等方面也表現出良好的效果。

目前粘性流CFD方法在水下螺旋槳的流場數值模擬方面已得到廣泛應用，可準確模擬螺旋槳尾流場復雜流動、槳葉梢渦結構以及近壁面流動，但計算時間相較于勢流方法也有相應增加。不同CFD網格離散方式、湍流模型以及數值方法在預測螺旋槳水動力性能時存在差異，需根據具體研究內容進行取舍。目前看來，粘性流CFD方法在螺旋槳敞水性能、非定常力數值預報、流固耦合、非均勻流場中性能表現以及螺旋槳空泡方面均得到了很好地應用。

3 水下螺旋槳優化技術

近年來，在傳統設計結果的基礎上，諸多學者利用現代優化設計理論與先進智能算法等手段，對螺旋槳性能展開優化設計。

以設計目標分類，可以分為單目標和多目標優化設計。各國學者關注比較多的設計目標有，螺旋槳推進效率、空泡性能[25]、葉片強度以及噪聲性能[26]等。由于這些目標存在參數耦合等問題，因此單目標優化結果往往是單個目標最優，其余目標較優或更差，因此螺旋槳單目標優化目前多用于對單項性能指標要求較高、其余指標不做要求的場合。多目標優化設計方法的引入，是針對多項性能指標要求均較高的場合，通常關注比較多的多目標有推進效率-空泡性能的雙目標優化設計，多個工況點的性能優化[27]等。為了簡化優化設計模型，將多個設計目標通過系數加權轉化為單目標進行優化是目前應用較多的一個方法[28]。

以優化算法和優化策略分類，可以分為直接優化技術以及基于近似模型的優化技術。在智能優化方法發展初期，學者們常采用單目標或者多目標遺傳算法（GA，NSGA-II）、單目標或者多目標粒子群算法[29]（PSO，MOPSO）、模擬退火算法或者其余進化算法等。為了解決直接優化方法帶來的高昂計算需求，近年來，基于近似模型的優化方法受到越來越多學者的青睞，響應面法、Kriging代理模型方法、徑向基函數代理模型方法、人工神經網絡法[30]等。基于近似模型的優化方法具有效率高、資源需求少、可擴展性好等特點，將是未來螺旋槳優化的一大發展趨勢。

在螺旋槳的優化設計過程中，諸多學者通過實驗設計方法（DOE）[31]、Sobol 靈敏度分析法以及回歸分析法等分析了螺旋槳設計參數對設計目標的敏感性。研究表明，葉片最大弦長是空泡性能的主要影響因素，0.7～0.9無量綱半徑處對螺旋槳低頻寬帶噪聲影響較大。此外，葉片越薄對推進器效率改善作用越明顯，然而葉片過薄對槳葉的強度等力學性能有不利的影響。螺旋槳各參數對性能的影響以及各參數之間的制約關系在優化設計過程中更容易體現，將現代優化設計理論應用到螺旋槳設計優化中是十分重要的。

4 總結與展望

根據國內外水下螺旋槳的研究進展，傳統的升力線與升力面設計方法已經相當成熟，主要針對設計過程中槳轂影響，尾渦結構以及應用于特種推進器等方面展開研究，如何將升力線、升力面設計方法與面元法、RANS等方法耦合，考慮各組件的相互影響，對導管螺旋槳、泵噴推進器等特種推進器進行精細化設計是設計方面的研究重點。數值計算的研究工作大多是關于螺旋槳尾流場復雜流動、槳葉梢渦結構、近壁面流動等方面的研究。在螺旋槳非定常壓力脈動、流固耦合計算等方面還有待進一步研究，這些流場流動細節的分析和計算對螺旋槳振動和噪聲等問題的研究有著重要的作用。在螺旋槳優化方面，關于優化方法在螺旋槳設計中的應用，組合推進器的一體化優化以及針對推進性能、空泡性能、噪聲性能等多學科問題的多學科優化將是水下螺旋槳優化的研究重點。

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