阅读说明：本技术 一种船用带制流板舵舵效的计算方法 (Method for calculating rudder effect of marine rudder with flow control plate ) 是由 程嘉欢 赵德亮 杨洪刚 林佩剑 于 2019-11-13 设计创作，主要内容包括：一种船用带制流板舵舵效的计算方法。本发明通过分解复杂模型,立足现有试验结果,适当处理边界条件的手段,较为便捷计算带制流板舵的舵效,为设计初期阶段计算舵效提供一种便捷、灵活的计算方法。本发明共分为五个步骤,步骤1为建立坐标系,步骤2为计算舵叶舵效,步骤3为计算制流板水动力,步骤4为计算带制流板舵在均匀来流中的舵效,步骤5为引入尾流效果进行调整。本发明于现有的计算方法相比,有以下优点：考虑了船体伴流和螺旋桨尾流的影响,使得准确性满足设计过程的要求；计算过程较CFD方法大为简化,提高设计效率,降低工作强度；计算方法覆盖范围较广,使用灵活,适用于设计初期方案不断调整的情况；不需要进行专项试验,节约成本。(A method for calculating the rudder effect of a rudder with a flow control plate for a ship. According to the invention, by decomposing the complex model, based on the existing test result and a means of properly processing the boundary conditions, the rudder effect of the rudder with the flow control plate is calculated more conveniently, and a convenient and flexible calculation method is provided for calculating the rudder effect in the initial stage of design. The method is divided into five steps, wherein the step 1 is to establish a coordinate system, the step 2 is to calculate the rudder effect of the rudder blade, the step 3 is to calculate the hydrodynamic force of the flow control plate, the step 4 is to calculate the rudder effect of the rudder with the flow control plate in the uniform incoming flow, and the step 5 is to introduce the wake effect for adjustment. Compared with the existing calculation method, the method has the following advantages: the influence of ship wake flow and propeller wake flow is considered, so that the accuracy meets the requirement of the design process; compared with a CFD method, the calculation process is greatly simplified, the design efficiency is improved, and the working intensity is reduced; the calculation method has wide coverage range and flexible use, and is suitable for the condition of continuously adjusting the scheme at the initial stage of design; and a special test is not needed, so that the cost is saved.)

一种船用带制流板舵舵效的计算方法

技术领域

本发明涉及一种船用带制流板舵舵效的计算方法，属于船舶舾装装置技术领域。

背景技术

如今，船舶设计对舵提出了越来越高的要求。一方面，船舶对操纵性的要求不断提高，在各方面都面临着提高舵效的迫切需求。另一方面，船舶对附体阻力的敏感性与传统的通过增大舵面积增加舵效的方式相矛盾。如今，传统舵的潜力挖掘殆尽，而国外早已提出安装有制流板的舵这一形式，取得了不俗的效果，非常值得国内借鉴。本发明中的带制流板舵是指为了提高舵的流体性能，在传统舵本体上安装有制流板，通过截断舵板两个翼尖的洗流，改善舵本体表面的压力分布，达到提高舵效、改善操纵性能、减少总体资源占用等效果。精确计算带制流板舵的舵效涉及到大量流体乃至多相流体问题的分析，解决困难、流程复杂、工作量大，不适合设计初期的计算和判断。

舵效计算，主要内容是计算舵的升力和扭矩。目前，国内外对带制流板舵舵效的计算主要集中在以下两个方法：1)利用CFD计算方法，建立船艉的整体流场模型求解，工作量大而复杂，需要人员有较高的流体力学计算水平。2)使用水池试验的方法，直接测量舵板的升力和扭矩。此方法简明准确，但耗时耗力，需要投入较大的成本，且结果仅能运用于特定方案。目前，尚无既简明方便、又考虑船艉来流实际情况的计算方法。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的不足而提供一种船用带制流板舵舵效的计算方法。本发明通过分解复杂模型，立足现有试验结果，适当处理边界条件的手段，较为便捷计算带制流板舵的舵效，为设计初期阶段计算舵效提供一种便捷、灵活的计算方法。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下的步骤实现：

步骤1：将带制流板舵看作一个整体，建立舵在船艉流场中的计算坐标系；并将整个舵拆分为舵叶和两个制流板，并分别建立各自的子坐标系。

步骤2：计算舵叶本体在均匀来流下的升力和扭矩。

步骤3：利用平板摩擦阻力计算制流板在均匀来流下的水动力。

步骤4：根据已有的试验结果，解决舵叶与制流板的水动力干涉问题，求解出带制流板的升力和扭矩。

步骤5：厘清边界条件。引入螺旋桨尾流和船体伴流的修正，计算带制流板在船艉流场中的舵效

本发明于现有的计算方法相比，有以下优点：考虑了船体伴流和螺旋桨尾流的影响，使得准确性满足设计过程的要求；计算过程较CFD方法大为简化，提高设计效率，降低工作强度；计算方法覆盖范围较广，使用灵活，适用于设计初期方案不断调整的情况；不需要进行专项试验，节约成本。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是发明实施例中的总坐标系示意图；

图2是本发明实施例中的舵叶子坐标系示意图；

图3为本发明实施例中的制流板子坐标系示意图；

图4为本发明实施例中的制流板水动力计算示意图；

图5为本发明实施例中的不同几何尺度的制流板示意图；

图6为本发明实施例中的λ＝1.67的带制流板舵C_L/C_L’的试验图谱；

图7为本发明实施例中的λ＝1.67的带制流板舵C_M/C_M’的试验图谱；

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

下面结合附图进一步阐述本发明。本发明优选实施例只是用于帮助阐述本发明而不用于限制本发明的保护范围。本发明优选实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

现详细说明根据本发明的一种船用带制流板舵舵效的计算方法。

在所述步骤1中，螺旋桨和带制流板舵处于船艉的不均匀流场中，螺旋桨桨轴水平，以此建立空间直角坐标系O-XYZ。坐标系原点O建立在螺旋桨桨轴与螺旋桨参考线的交点，X轴为螺旋桨轴的延伸线，指向螺旋桨后方；Y轴竖直向上；Z轴以右手法则确定，具体可参见图1。然后，拆分带制流板舵，将其拆分为舵叶和2块制流板，并分别建立子坐标系。对于舵叶，其坐标系o-xyz的建立原则为：原点o在舵展弦中剖面与舵轴的交点；y轴与舵轴重合，方向竖直向上；x轴平行于舵的弦长，方向向后；z轴满足右手法则，具体可参见图2。对于制流板，在其XOY剖面上建立坐标系o-xyz，其中原点o位于制流板前缘中部，x轴指向船艉，y轴竖直向上，z轴满足右手法则，具体参见图3。

在所述步骤2中，按《钢质海船入级与建造规范》第2篇计算舵叶在均匀来流中的舵效。

T＝FR (2)

式(1)、(2)中，F_L为满舵时舵的升力，T为满舵时舵的扭矩，A为舵叶面积，V_d为船的航速，R为臂矩。K₁、K₂、K₃为系数。其中，K₁＝b²/A_t，b为舵叶平均高度，A_t为舵叶平均高度范围内舵和舵柱/挂舵臂的面积之和。K₂根据舵叶的剖面形式选择，中国船级社对常用的舵叶剖面形式有相应的规定系数。K₃舵桨关系和桨的形式，在中国船级社的数据表中选择。在得到满舵舵效后，可以根据剖面性能曲线，得到各个舵角下的舵效。

计算得到舵叶的舵效后，即可计算得到舵叶的升力和扭矩系数：C_L’、C_M’。

在所述步骤3中，采用平板摩擦阻力计算公式计算制流板的水动力。由于制流板处于的船艉流场Re数较高，为其表面的边界层内为紊流，本方法在卡门边界层动量积分方程的基础上求解。以x方向为例，设制流板在处于来流U_X中，δ为距离制流板前缘x处的边界层厚度(参见图4)，则制流板前缘至x处一段内单位宽度的x方向水动力为：

式(4)中，u_x为边界层内的流速，又因为

因此

式(6)中，θ为动量损失厚度。将式(6)代入(5)，沿制流板长度l积分，并注意到：x＝0时θ＝0，x＝l时θ＝θ_l，即可得到单位宽度的x方向水动力为：

考虑到制流板为有限展弦比的几何平板，在假设边界层内速度分布时，既需要考虑尺度效应又需要考虑几何相似度。因此，本方法采用休斯公式计算C_fx。

式(9)中，Re为雷诺数。通过式(7)～(9)即可求得f_X，f_Z的求解方法与此相同，也采用休斯公式计算C_Z。

在所述步骤4中，通过已有的公开的试验结果，在已经完成的计算的基础上，得到整个带制流板舵的水动力系数。各类舵通常是一种展弦比不大于2的对称剖面短翼。目前公开的研究已经对展弦比0.5～2之间的带制流板舵进行过试验研究，拥有不同几何尺度制流板对舵水动力的无因次影响系数的数据。对于舰船用舵来说，其展弦比通常在1.4～1.8之间，本发明采用展弦比λ＝1、1.67、2的试验结果进行内差后作为计算依据。图5为不同几何尺度的制流板示意图，分别代表了制流板从几乎与舵叶剖面大小一致到长圆形极限的几种典型情况。制流板的几何尺度以无因次有效宽度h_e’表示。

式(10)中，h_e为有效宽度，A’为一侧制流板的平均面积，A为舵剖面平均面积，b为弦长。本发明采用的试验的制流板几何尺度参见表1，其他几何参数的制流板可根据这些典型情况的试验数据进行内差计算。

表1制流板的几何参数

图6、7分别为展弦比λ＝1.67的带制流板舵试验中，不同几何尺度制流板对舵水动力的无因次影响系数。途中，C_L、C_M是带制流板舵的升力和扭矩系数；C_L’、C_M’是不带制流板时舵叶的升力和扭矩系数。

在所述步骤5中，通过引入螺旋桨尾流和船体伴流的边界条件，引入的形式为对舵前来流速度的修正，最终求得带制流板舵的水动力。其中，船体伴流对来流速度的修正表示为：

U_Rω＝U(1-ω_R) (11)

式(11)中，U为船速；ω_R为船舵处的伴流系数，ω_R＝(0.7C_b-0.08)c。C_b为船舶的方形系数，c为位置系数。舵布置在中线面时，c＝1.0；舵布置在两侧时，c＝C_b+0.15。

在船体伴流的基础上，螺旋桨尾流对来流速度的修正表示为：

U_RP＝U_Rω+ku_∞＝U_P[ε+k(u_∞/U_P-1)] (12)

式(12)中，螺旋桨的进速U_P＝(1-ω_P)U，ω_P为螺旋桨处的伴流系数；ε＝(1-ω_R)/(1-ω_P)；k为0.5～1之间的系数；u_∞为螺旋桨加速后流向桨后无穷远处的流速，本方法取下式计算：

式(13)中，K_T为螺旋桨的推力系数，J_P为进速系数。对于船舵来说，位于螺旋桨尾流内的舵面积S_P采用U_RP为来流速度，位于螺旋桨尾流外的舵面积(S-S_P)采用U_R为来流速度。带制流板舵的升力和扭矩P_L、M可以表示为：

式(14)中，b_P、b_R分别为螺旋桨尾流内外舵的平均弦长。

以表2、表3所述舵和母船形式为例，参照本发明，计算该舵在各个舵角下的舵效。

表2带制流板舵实例参数

几何形式	矩形舵	舵叶弦长	1.3m
				剖面	NACA0018	舵叶面积	2.8m<sup>2</sup>
舵叶展弦比	1.67	制流板数量	2
				舵高	2.2m	制流板形式	Ⅴ型

表3母船实例环境参数

航速U	28kn	螺旋桨直径	3.5m
				方形系数C<sub>b</sub>	0.50	螺旋桨转速	250r/min
尾流中舵面积S<sub>P</sub>	1.8m<sup>2</sup>	推力系数K<sub>T</sub>	0.20
				螺旋桨螺矩	5.2m	进速系数J<sub>P</sub>	0.97

首先，根据所述步骤1，根据表2的参数，参照图1建立整个带制流板舵的坐标系；将舵叶与上下制流板拆分，分别建立各自的子坐标系。其次，根据所述步骤2，建立均匀来流情况下舵本体的绕流流场模型，利用面元法计算舵叶的水动力系数，结果可参见表4。

表4均匀来流下舵叶的水动力系数

舵角(°)	2.5	5	10	15	17.5	20
							C<sub>L</sub>’	0.096	0.197	0.366	0.481	0.452	0.460
C<sub>M</sub>’	0.0036	0.0069	0.0088	0.0092	0.0085	0.0087

随后，根据所述步骤3，建立均匀来流下制流板的流场模型，在卡门边界层动量积分方程的基础上求解单个制流板的水动力系数，其结果参见表5。

表5均匀来流下单个制流板的水动力系数

舵角(°)	2.5	5	10	15	17.5	20
							C<sub>x</sub>(×10<sup>3</sup>)	2.365	2.366	2.370	2.378	2.383	2.389
C<sub>z</sub>(×10<sup>3</sup>)	4.863	4.857	3.596	3.322	3.227	3.148

接着，根据所述步骤4，求得整个带制流板舵在均匀来流下的水动力系数，具体结果参见表6。

表6均匀来流下带制流板舵的水动力系数

舵角(°)	2.5	5	10	15	17.5	20
							C<sub>L</sub>’	0.170	0.250	0.559	0.633	0.621	0.451
C<sub>M</sub>’	0.0056	0.0070	0.0095	0.0129	0.0136	0.0072

最后，根据所述步骤5，引入船体伴流和螺旋桨尾流，得到带制流板舵的舵效，参见表7。

表7尾流下带制流板舵的水动力

攻角(°)	2.5	5	10	15	17.5	20
							P<sub>L</sub>(kN)	44.8	65.9	147.4	166.9	163.8	118.9
M(kN*m)	17.7	22.1	30.0	40.8	43.1	22.8

可见，本发明可以较为简单地计算带制流板舵的水动力，这一方法较传统经验公式算法更为准确，较CFD算法大为方便快捷，较试验方法成本更低，适合设计初期的方案选择和调整。