射流擾動下艦船多葉片螺旋槳角度的實時調整

邊 莉，車向前，劉孟杰

(1. 廣東海洋大學 船舶與海運學院, 廣東 湛江 524088；2. 廣東海洋大學 數學與計算機學院, 廣東 湛江 524088)

0 引 言

螺旋槳是艦船的主要組成部分[1]，在艦船航行過程中，為艦船的航行提供動力。螺旋槳通常為多葉片，數量一般為3 片或5 片。艦船多葉片螺旋槳的角度對于其性能產生直接影響，但艦船航行過程中，受外界環境因素影響，艦船的多葉片螺旋槳角度會產生變化[2]，為保障艦船多葉片螺旋槳的應用性能，確保艦船正常航行，需研究一種有效的艦船多葉片螺旋槳角度調整方法。

陳雷雷等[3]在研究艦船螺旋槳角度設計問題過程中，基于艦船螺旋槳射流原理與葉片邊緣點坐標構建螺旋槳三維模型，通過數值模擬方法完成艦船螺旋槳角度控制。馬艷等[4]在研究艦船螺旋槳角度調整問題過程中，基于螺旋槳材料與水動力性能，結合CFD與有限元相結合的單項流固耦合法實現艦船螺旋槳角度控制。上述方法在研究過程中均未考慮艦船航行過程中所產生的射流擾動問題，因此調度調整結果存在一定偏差，對于螺旋槳應用性能的提升效果受到影響。針對上述文獻中存在的問題，研究射流擾動下艦船多葉片螺旋槳角度的實時調整方法，希望通過該方法的研究為未來艦船多葉片螺旋槳的設計與應用提供一種全新的、具有較強應用性優化方向與思路。

1 艦船多葉片螺旋槳角度的實時調整方法

1.1 控制方程

艦船多葉片螺旋槳角度的實時調整過程中，采用協同射流控制技術，通過該技術控制射流擾動，經由射流擾動的控制實時調整艦船多葉片螺旋槳角度。協同射流控制技術中的控制方程選用三維雷諾平均NS 方程[5]，以表示控制體，利用式(1)能夠描述其積分形式的N-S 方程：

式中：和分別表示狀態矢量和對流通矢量項；S和分別表示艦船螺旋槳單葉片的參考面積和耗散通矢量項。不同項的具體計算公式描述如下：

式中：ρ和q=(u,v,w)T分 別表示射流密度和射流流體速度矢量；Q和c分別表示射流總能和射流壓強；H和Ix，Iy，Iz分別表示射流總焓和直角坐標系單位坐標向量；?表示直角坐標系內的平面。

同時，針對射流旋轉流動，在旋轉坐標系下，式(1)等號左側項還需引入科氏力源項，其公式描述為：

N-S 方程的求解可選取基于格點格式的有限體積法。在模型構建過程中，利用入口與出口的邊界條件描述內部泵情況。以增強噴口與吸氣口流量分布仿真的準確度為目的，在進口、噴口和出口與吸氣口間分別設置彎管網格[6]，由此降低人工設定速度部分的誤差，提升數值模擬準確度。

1.2 協同射流螺旋槳形態受力分析

利用協同射流控制技術控制的艦船多葉片螺旋槳，在承受螺旋槳型物面上氣動力影響的同時，還受到吹吸氣所產生的反作用力[7]。P1和P2分別表示射流出口與入口區域的壓力值，V1和V2分別表示射流出口與入口區域的速度值，S1和S2分別表示射流出口與入口區域的面積，KP和KV分別表示影響螺旋槳形態物面上的壓力與粘性力所造成的力。以進出口的動量差與靜壓力之間的相加結果為射流擾動所成型的作用力。依照沿流動方向正方向得到：以和分別表示艦船多葉片螺旋槳氣泵出口噴氣與入口吸氣所產生的反作用力；?P1S1和?P2S2分別表示艦船多葉片螺旋槳氣泵出口噴氣與入口吸氣所產生的壓力。由此得到上述力在x方向上的合力計算公式：

利用式(5)描述y 方向合力：

1.3 噴口動量系數及泵功率計算

利用協同射流控制技術實時調整射流擾動過程中，Cμ表示艦船多葉片螺旋槳的噴口動量系數，其能夠描述噴氣量的大小，對于協同射流控制過程產生重要影響。Vj表示艦船多葉片螺旋槳噴口速度，則Cμ的計算公式如下：

利用式(9)能夠描述協同射流控制技術中，艦船多葉片螺旋槳驅動泵的功率消耗情況：

式中：Cp和T0分別表示定壓比熱容和總溫； α表示艦船多葉片螺旋槳的氣泵效率假設值，通常情況下取值為0.9；，其中P01和P04表示艦船多葉片螺旋槳的氣泵吹氣口與吸氣口位置的總壓；ε表示值為1.4 的常數值。

艦船多葉片螺旋槳的氣泵功率系數為：

在實際確定氣動效率過程中，需結合氣泵的能量消耗。以阻力描述氣泵消耗的功率，設定有效阻力與有效阻力系數，公式描述如下：

式中，CD表示艦船多葉片螺旋槳的阻力系數。

基于上述理論，結合艦船多葉片螺旋槳氣泵功率消耗的升阻比[8]，利用式(13)計算艦船多葉片螺旋槳氣泵的有效升阻比：

針對傳統的艦船多葉片螺旋槳形態，不具備氣泵，也就是能量消耗值為0，由此可將式(13)轉換為艦船多葉片螺旋槳形態的氣動效率計算公式。

基于上述過程所得噴口動量系數與氣泵功率系數等參數，分析這些參數對協同射流的影響，基于這種影響實現艦船多葉片螺旋槳角度實時調整。

2 實驗結果與分析

本文研究射流擾動下艦船多葉片螺旋槳角度的實時調整方法，為驗證本文方法的應用性能，選取某艦船的多葉片螺旋槳為研究對象，采用本文方法對其進行螺旋槳角度的實時調整測試。測試過程中實驗環境為：標準海平面大氣環境；風速為15 m/s；迎角為20°±20°。

2.1 功率需求及效能比分析

分析不同迎角條件下，本文方法應用過程中的功率需求與效能比分析結果，結果如表1 所示。分析可知，功率的數據模擬結果與數據統計結果基本一致，這表明本文方法具有較強的可靠性，由此也能夠說明本文方法應用過程中所需的能量較少，具有較高的效能比。值得重點說明的一點是，增升效能比與減阻效能比的值高于100% 并非表示本文方法是“永動機”這只是說明本文方法能夠有效解決流場特性問題，提升原射流流動的能量利用率，由此帶動效率提升。

表1 不同迎角條件下增升減阻效能比及功率需求Tab. 1 Efficiency ratio and power demand for lift and drag reduction under different angles of attack conditions

2.2 零迎角條件下升力增量與減阻效率

圖1 為零迎角條件下，本文方法的升力增量與減阻效率。分析可知，針對升力增量來說，堵塞比例同增升效果之間具有正比例相關性，也就是增升效果隨堵塞比例的提升而提升。針對減阻效率來說，堵塞比例同減阻效率之間具有正比例相關性，也就減阻效率是隨堵塞比例的提升而提升，但同時效率的功率也有所提升，所以在堵塞比例由1/3 提升至1/2 的條件下，減阻效率并未繼續提升。

圖1 零迎角下本文方法的升力增量與減阻效率Fig. 1 Lift increment and drag reduction efficiency of our method at zero angle of attack

2.3 不同方法應用性能對比

為驗證本文方法在螺旋槳角度調整方面的應用性能，選取文獻[3]中的基于螺旋槳三維模型的調整方法和文獻[4]中基于CFD 和有限元相結合的單向流固耦合法的調整方法為對比方法，分別獲取本文方法與兩種對比方法對螺旋槳角度進行調整后，螺旋槳的所產生的推力和效率，結果如表2 所示。分析可知，3 種不同調整方法中，本文方法調整后所形成的推力最高，達到1587.56 N，與2 種對比方法相比提升6%以上。同時與基準漿效率相比提升幅度也最高，達到0.590%，與2 種對比方法相比提升0.036%以上。以上數據充分說明采用本文方法調整射流擾動下艦船多葉片螺旋槳角度，能夠顯著提升螺旋槳的性能。

表2 不同方法的應用性能對比Tab. 2 Comparison of application performance of different methods

3 結 語

本文研究射流擾動下艦船多葉片螺旋槳角度的實時調整方法，利用協同射頻控制技術對射流擾動進行控制，由此實時螺旋槳角度。實驗結果充分說明本文方法能夠顯著提升螺旋槳的性能。但由于時間所限，本文方法的研究也存在一定局限性，在后續研究優化過程中將綜合考慮船體阻力以及螺旋槳振動噪聲等因素的研究，以期提升本文方法的應用性能。