第３９卷第２期 船海工程 ＳＨＩＰ＆ ＯＣＥＡＮ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏ１．３９ Ｎｏ．２ Ａｐｒ．２０１０ ２０１０年４月 螺距角和纵倾角对全方向推进器水动力性能的影响 常欣 ．－，邹经湘 ，郭春雨。，黄胜。 （１．哈尔滨工业大学力学博士后流动站，哈尔滨１５０００１； ２．哈尔滨工程大学船舶工程学院，哈尔滨１５０００１） 摘要：为选择全方向推进器的设计参数，运用ＣＦＤ软件预报全方向推进器非定常水动力性能的方法， 根据全方向推进器的工作原理建立仿真计算模型并进行网格划分，给出了计算结果。分析表明，周期螺距角 和纵倾角决定了全方向推进器所能产生的横向力的大小，而整体螺距角则对全方向推进器的轴向水动力性 能起决定性作用。 关键词：全方向推进器；整体螺距角；周期螺距角；纵倾角 中图分类号：Ｕ６６４．３３ 文献标志码：Ａ 文章编号：１６７１—７９５３（２０１０）０２—００２６ ０４ 全方向推进器是一种新型的推进操纵装置， 桨叶在旋转的过程中螺距角可以周期性变化ｌｌｊ， 动量方程守恒方程： ｇｒ ｕ，ｌＤ ｐ 一０ 不仅能产生常规螺旋桨的纵向推力，还能根据需 要产生横向或垂向推力ｌ２ｊ。传统上是由多个槽道 推进器来实现上述功能的，显然全方向推进器更 Ｐ，杀ｃ 一一 ＋Ｐ未［ （ ＋ ）卜 （一ｐ ） （２ 有利于潜器的总布置，小型化和轻量化Ｌ３ｊ。叶片 螺距角和纵倾角对全方向推进器的水动力性能影 响非常大。叶片螺距角由周期螺距角和整体螺距 角组成。周期螺距角是叶片螺距角的变化幅度， 式中： 、“，——时问平均的速度分量， ｉ、Ｊ一１，２，３； 是全方向推进器可以产生侧向力的根本原因；整 时间平均的压力； 体螺距角反映了螺旋桨的初始状态，决定了全方 向推进器轴向推力的大小。纵倾角对全方向推进 器的轴向力和侧向力都有很大影响Ｌ 。因此，在 针对全方向推进器进行设计时周期螺距角、整体 螺距角和纵倾角的选取十分重要。基于Ｆｌｕｅｎｔ ｐ——密度。 ２ 湍流模式 所有计算均采用ＲＮＧ ｅ湍流模式，其湍动 能ｋ与耗散率ｅ方程如下： 一 １０一一 ＬＤｔ 『． Ｏｒ＠／￣Ｚ ｅｆｆ ］－』十ｒ—＋Ｐ～ＰＰｅ １０ 软件求解全方向推进器非定常水动力性能，在此 基础上，研究螺距角和纵倾角对全方向推进器非 定常水动力性能的影响。 （３） ＩＤ—ＩＤ Ｄｔ—Ｏ ：ｚ－ｊ Ｌ 意］－』＋Ｃ１十Ｌ，１ Ｐ＿Ｃ，Ｌ／２ ｌ０ （百 ４） １控制方程 不可压缩牛顿流体的运动满足连续性方程和 式中：ｐ一一密度； Ｐ——湍动能产生； ，』ｅ 『——湍动粘性系数； ａ 、 ——湍动能ｋ与耗散率ｅ的有效湍流 普朗特数的倒数； 收稿日期：２００９—０８—１０ 修回日期：２００９ １０ ０８ Ｃ 、Ｃｚ ——常量。 基金项目：国家自然科学基金（１０７０２０１６）； 哈尔滨工业大学博士后基金。 作者简介：常欣（１９７８一），男，博士，副教授。 研究方向：船舶推进性能与节能。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｈａｎｇｘｉｎ＠ｈｒｂｅｕ．ｅｄｕ．ｃｎ ２６ 湍流粘性系数计算公式为： ｄ（等）＿１・７蕊式中： 一一常数； ，ｕ ｚ） 螺距角和纵倾角对全方向推进器水动力性能的影响——常欣，邹经湘，郭春雨，黄胜 湍流粘性系数。 转动轴经过圆盘的中心。桨叶采用结构化四边形 网格，桨毂采用三角形非结构网格。计算域范围 动量方程采用二阶迎风格式离散，压力方程 采用Ｐｒｅｓｔｏ！格式离散。 ３模型的建立 ３．１模型参数的选取 全方向推进器的主要参量选取见表１。 表１全方向推进器主要参量 参量 数值 直径／ｍ ０．４２ 叶数 ４ 整体螺距角／（。） ｌＯ、１４、１８、２Ｏ 周期螺距角／（。） ５、１０ １５，２０ 纵倾角／（。） ０、１５、３Ｏ、４５ 毂径比 ０．４ 转速／（ｒ・ｒａｉｎ ） １２Ｏ 位置角／（。） ２０ ３．２螺距角变化规律 叶片螺距角的变化规律采用正弦规律，即： （ ）一 ＋△ ｓｉｎ（ 一 ） （６） 一２ｎｎｔ （７） 式中： （ｆ）——￡时刻叶片螺距角； ￡时刻的叶片位置角； ￡一０时的叶片螺距角，即整体螺距 角； ￡一０时的叶片位置角； △ ——周期螺距角； 转速。 螺距角的变化规律通过加载ＵＤＦ来实现。 ３．３全方向推进器的仿真模型建立 根据全方向推进器的工作原理建立全方向推 进器仿真计算模型，见图１。 图１全方向推进器计算模型 由于桨叶围绕自身轴自转，因此计算模型的 建立及网格的划分与普通螺旋桨有很大的区别， 需要针对每个桨叶建立控制域以控制桨叶的自 转。桨叶与桨毂的连接边缘是一个圆盘，桨叶的 为：上游段取在桨叶前２．５Ｄ（Ｄ为桨直径）处，下 游段为桨叶后８Ｄ处，外围远场为４Ｄ，网格采用 结构与非结构混合网格，网格总数为２８万。网格 划分见图２。 ａ）模型网格划分 ｂ）计算域网格划分 ｃ）叶片网格划分 ｄ）桨毂 格划分 图２全方向推进器网格划分 ３．４边界条件 来流的入口设为速度入口边界；去流出口设 为自由出流边界；全方向推进器表面设为壁面边 界，外域边界面设也为壁面边界；４个控制域的３ 对交界面设为交界面。 ４数值计算结果及分析 为了验证计算方法的正确性，对日本田村兼 ２７ 第２期 船海工程 第３９卷 吉的试验模型进行了数值模拟，计算结果见图３。 ￡ 量 辎 图３全方向推进器非定常水动力性能曲线 与田村试验结果对比，计算表明文中的计算 方法是可行的。 进速系数‘，取０．４，周期螺距角分别取５。、１Ｏ。、 １５。和２０。。整体螺距角分别取１Ｏ。、１４。、１８。和２０。， 纵倾角分别取０。、１５。、３０。和４５。，每个工况点平均计 算收敛时间为２６０ ｈ。图４～９标计算结果。 ４．１螺距角对全方向推进器水动力性能的影响 从图４中可以看出，轴向力矩随周期螺距角的 增大而明显增大，但轴向推力变化不大，因此，增加 周期螺距角不利于全方向推进器的轴向推进陛能。 旦 １ ｌ４ １２ ， ｌＯ Ｏ８ ０６ 掣 ０４ ．叠 暴 ０２ 图４周期螺距角对轴向推力和转矩系数的影响 差 营 图５周期螺距角对侧向推力系数的影响 随着周期螺距角的增加，侧向推力系数也随 之增大。从图５中可以看出，周期螺距角对侧向 力有较大幅度的影响。在全方向推进器的设计 上，应该适当增加桨叶的周期螺距角，以获取更大 ２８ 的侧向力。 錾 图６整体螺距角对轴向推力和转矩系数的影响 从图６中可以看出，随着整体螺距角的增大， 轴向推力变化明显，有较大幅度的增长；而轴向力 矩则变化较小。因此适当增加整体螺距角有利于 改善全方向推进器的轴向推进性能。 匠 罨ｉ 图７整体螺距角对侧向推力系数的影响 从图７中可以看出，侧向力随着整体螺距角的 增长而增长，但增长幅度较小，仅在７ ～８ 之 间。可见整体螺距角的变化并不能大幅度改变侧 向力，为了产生足够的侧向力，一般采用改变周期 螺距角和安装多个全方向推进器的方法来解决。 ４．２纵倾角对全方向推进器水动力性能的影响 从图８中可以看出，纵倾角对轴向力和力矩 有较小幅度的影响。随着纵倾角的增加，轴向力 减小，轴向力距变大。因此纵倾角的增大不利于 全方向推进器的轴向推进性能。 见图９，纵倾角对侧向力有较大幅度的影响。 侧向推力大小随着纵倾角的增大而增大。可见适 当增大纵倾角有利于获取更大的侧向推力。 羹 图８纵倾角对轴向推力和力矩系数的影响 螺距角和纵倾角对全方向推进器水动力性能的影响——常欣，邹经湘，郭春雨，黄胜 轴向力和力矩影响较小而整体螺距角对轴向推力 有较大影响。随着纵倾角的增大，侧向力增加明 显，而轴向推力系数略微减小，轴向力矩系数小幅 度的增大。因此增大纵倾角可以获得更大的侧向 差 暮 推力，但是轴向推进效率将因此而降低。所以在 实际的应用中纵倾角的取值应综合考虑。计算结 纵倾角，（。） 果可供全方向推进器的工程设计参考。 图９纵倾角对侧向力和力矩系数的影响 参考文献 ５ 结束语 ［１］黄胜．全方向推进器的研究ＥＲ］．大阪：大阪府立大 学，２００１． 全方向推进器通过桨叶螺距角周期性的改变 ［２］常欣，黄胜，贡毅敏．全方向推进器非定常水动力 可以产生三维推力。其整体螺距角、周期螺距角 性能的面元预报方法［Ｊ］．中国造船，２００７（１）：２４—２９． 以及纵倾角是全方向推进器重要的设计参数，对 ［３］贡毅敏，常欣，黄胜．潜器全方向推进器的研究 其非定常水动力性能有重要影响。 ［Ｊ］．中国学术期刊文摘，２００７，１３（１０）：ｌ１． 周期螺距角对侧向力有较大幅度的影响，对 ［４］常欣．潜器全方向推进器的研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔 滨工程大学，２００５． Ｔｈｅ Ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ Ｐｉｔｃｈ Ａｎｇｌｅ ａｎｄ Ｒａｋｅ Ａｎｇｌｅ ｕｐｏｎ Ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉ．ｃ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｆｏｒ Ｖａｒｉａｂｌｅ Ｖｅｃｔｏｒ Ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ ＣＨＡＮＧ Ｘｉｎ ．ＺＯＵ Ｊｉｎｇ－ｘｉａｎｇ￣，ＧＵＯ Ｃｈｕｎ－ｙｕ ，ＨＵＡＮＧ Ｓｈｅｎｇｚ （１ Ｔｈｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｓｔａｔｉｏｎ ｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ｆｏｒ Ｐｏｓｔｄｏｃｔｏｒａｌ Ｆｅｌｌｏｗｓ，Ｈａｒｂｉｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１， Ｃｈｉｎａ；２ Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｈｉｐｂｕｉｌｄｉｎｇ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｒｂｉｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５０００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏ ｓｅｌｅｃｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｔｈｅ ｖａｒｉａｂｌｅ ｖｅｃｔｏｒ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ（ＶＶＰ）ｆ０ｒ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｕｎｓｔｅａｄｙ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＶＶＰ ｂｙ ＣＦＤ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｗａｓ ｓｔｕｄｉｅｄ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔＯ ｔｈｅ ｗｏｒｋｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ、厂ｖｌ ，ｔｈｅ ｃｏｍｐｕ— ｔａｔｉｏｎａ１ ｍｏｄｅ１ ｏｆ ＶＶＰ ｗａｓ ｂｕｉｌｔ，ａｎｄ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｗａｓ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ，ｃｙｃｌｉｃ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｒａｋｅ ａｎｇｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ＶＶＰ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ ｆｏｒｃｅ ｄｅｐｅｎｄｓ Ｏｎ ｔｈｅ ｃｙｃｌｉｃ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ ａｎｄ ｒａｋｅ ａｎｇｌｅ，ａｎｄ ｔｈｅ ａｘｉａｌ ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃ ｐｅｒｆｏｒｍ— ａｎｃｅ ｏｆ ＶＶＰ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖａｒｉａｂｌｅ ｖｅｃｔｏｒ ｐｒｏｐｅｌｌｅｒ；ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ，ｃｙｃｌｉｃ ｐｉｔｃｈ ａｎｇｌｅ；ｒａｋｅ ａｎｇｌｅ ２９
