基于二向度实效伴流理论的舰艇快速性模型试验分析方法

基于二向度实效伴流理论的舰艇快速性模型试验分析方法

1周向伴流的考虑尽管战舰速度是战舰的重要战术指标，但战舰速度测试通常包括船只模型的开放式试验、船只模型的阻力试验，以及与海洋体配合的船只模型的自航行试验。敞水试验和阻力试验处理方法比较统一。关于自航试验的处理,在水面船中,由于船型的不同导致船尾流场的变化,国内外发展了许多不同的处理方法;近年来在潜艇前置导叶的研究中发现,加装前置导叶后,潜艇尾部存在一定的旋转流动,在中国船舶科学研究中心为此进行的流场试验中〖7]也清楚地发现,潜艇尾部确实存在相当的周向流动。对于这种情况的自航试验处理,传统方法得到的自航因子难以接受,特别是伴流分数很大。通过分析发现,这很大程度上是由于没有考虑到周向流动的影响,为此文献提出考虑潜艇的周向伴流,并将文献提出的应用于水面船的二向度伴流理论应用于潜艇,证明了考虑潜艇周向伴流的必要性。本文从文献的二向度理论出发,建立了应用于潜艇快速性自航试验分析的二向度方法,介绍了二向度方法系统应用的情况,说明二向度方法处理的合理性,并将该方法的应用得到的一些有意义的结论以及实际应用中应注意的问题作了简单介绍。潜艇快速性预报也是快速性试验的最终目标,本文在所建立的二向度方法的基础上,引入摩擦形状因子的概念,提出了一个新的潜艇快速性预报方法。2根据所处的状况,设计一个1/q值,将所对应的dna结合到整体结二向度方法所需的试验数据与传统的方法一样,不需要在试验中增加数据;在试验数据处理上,与传统等推力法不同的是通过假设艇后螺旋桨的推力和扭矩与敞水的推力和扭矩相等,来修正艇后的速度和转速。两者的速度与转速的差别分别用轴向伴流分数的周向伴流分数来表示,并分别定义如下:Wn———称之为转速伴流分数或者为周向伴流分数。由上述可知,当知道设定桨在自航试验中受力的情况后,就可以从该设定桨的敞水曲线组的TD/Q曲线上找到相应的一点,和与之对应的J0值,再通过n2=T/ρD4KT=Q/ρD5Kq的关系得到na的数值,进而再得到Va的量值。确定上述伴流分数的具体方法如下:(1)假定T0=T和Q0=Q,则相应的TD/Q也相等,因此只要在传统的敞水螺旋桨性能曲线图上,增加一条TD/Q曲线,其值与Kt/Kq值相同,以自航点的TD/Q作为输入值读敞水曲线,得到对应的J0,Kq0,Kt0(下标0表示敞水值),其中J0实际上代表了一只螺旋桨在艇后与敞水中发出同样的推力和扭矩时所对应的运动工况,此时有:(2)由实效周向伴流分数定义得:由实效轴向伴流分数定义得:(5)式和(6)式即为求得的实效轴向和周向伴流分数。另外,笔者还对二向度与单向度方法的特点进行了分析,根据两种方法的特点和假设,得出两种方法的自航因子的关系如下:(7)、(8)式又可写成CQ和CL取决于桨敞水性征曲线和设计点J0,即螺旋桨几何和运行工况;CL和CQ具有十分重要的物理意义,它们代表了两种方法获得的螺旋桨在实际工作点推、扭力负荷的差别,这种差别反映了传统单向度方法不真实的程度。根据文献和公式(9)、(10),我们将有无周向伴流时两种方法获得的螺旋桨运动和力特征参数的关系总结归纳在表中由表1可见,若CL、CQ已知,则单向度方法的结果WT、ηr与二向度方法的结果Wa、Wn可以互相换算;表中所列结论不仅给出了明晰的物理意义,而且定性地给出了两种方法分析结果之间的关系,并可用来校核试验结果及分析计算的正确性。3向度方法在舰队桨前区域的影响根据已有的试验结果,笔者将二向度方法系统地应用于大量潜艇模型快速性试验分析,典型结果表示在图1和表2-4,可以看到:(1)用KT或KQ曲线计算的Wa、Wn差异极小,在使用时,可任选其中一个,其差别主要是由于读数时的误差造成的;(2)二向度方法得出的伴流分数曲线波动较大(图1),对测量误差反映灵敏,对试验质量控制有更高要求;对各方案的实效伴流分数计算结果进行比较分析,发现:(1)二向度方法计算得到的轴向伴流分数Wa普遍小于单向度计算得到的WT,在计算范围内平均约小20%;(2)周向伴流分数Wn普遍小于0且ηr普遍小于1,表明不管有无前置导叶,现代潜艇桨前均存在预旋流,这是艇体不对称特别是水平稳定翼预置攻角所致;(3)CL普遍小于1,而CQ普遍大于1,表明二向度方法分析得到的螺旋桨“实际”工作推、扭力负荷均小于单向度方法给出的“虚假”值,在计算范围内,推、扭力负荷平均将分别要小11%和4%左右;(4)二向度方法应用于带导叶潜艇模型试验分析表明:带导叶时的轴向伴流分数Wa与导叶攻角αg基本呈线性关系,在αg=5°～15°的范围内,αg每增加1°,Wa增加0.01;周向伴流分数Wn绝对值大于无导叶时的Wn,表明导叶确实增加了桨前的预旋流;KL2与αg基本呈线性关系,αg每增加1°,KL2增加0.036,如果有无导叶时用同一螺旋桨,则有导叶时,螺旋桨的负荷系数将会呈线性增加;导叶攻角αg越大,CQ几乎不变而CL则随之减小,这表明导叶αg越大,单向度方法给出的螺旋桨轴向载荷距离实际值越远,这对螺旋桨设计工况的准确确定具有相当重要的意义;(5)二向度方法应用于带弹舱盖潜艇模型试验分析表明:与无弹舱盖模型相比,单向度方法获得的ηr在统计范围内,但WT大大超出统计范围;而二向度方法获得的Wa比较正常,所以二向度方法对于强非轴对称艇体或预旋流动较强的螺旋桨来流情况更加适用;Wn的绝对值在带弹舱盖时比较大,其量级与无弹舱盖带前置导叶的模型情况相同可见艇体上部的大弹舱盖在艇尾也会产生预旋流一样的效果,但其中的机理是相当复杂的。二向度方法获得的这种效果在单向度方法中是无法得到的,因为有无弹舱盖时表征周向流动不均匀的参数ηr几乎没有什么变化;(6)通过粗略的统计分析,发现性能参数WT、Wa、ηr和Wn与显著性最强的艇体形状参数LR/D大致存在一定的关系,而KL2和CL与LR/D的相关性较弱;性能参数与另外两个显著性弱一些的形状参数CPR和αR有一定的相关性,但与前者相比更弱,特别是对于KL2和CL几乎无相关性可言。4向度实效伴流分数法基于模型试验的潜艇快速性预报包括三个部分:实艇有效功率预报;实艇自航因子预报和实艇功率、航速、转速关系预报。本文对第一部分的改进是引入文献提出的摩擦形状因子概念及其计算方法,其实质是用等价回转体的摩擦阻力代替等价平板的摩擦阻力,以便计及主艇体表面曲度的影响,使摩擦阻力预报值更加接近实际;对第二部分的改进主要是引入本文提出的二向度实效伴流分数计算方法,以取代传统的单向度泰勒伴流分数和相对旋转效率的获取方法,同样是为了使艇体/螺旋桨相互干扰作用的预报更加科学和接近实际,但尺度效应问题与传统方法一样处理,存在的缺陷应是今后需要专门研究的课题;对第三部分的改变实际上是前两部分变化产生的必然结果,主要体现在实桨负荷系数,实艇推进效率,以及实桨的机械转速预报上。基于二向度方法的实桨轴向负荷系数:在采用二向度实效伴流理论时,由于考虑周向伴流,导致轴向负荷系数的变化,随之螺旋桨实际运行的工况就不同于一向度情况,不仅如此,推进效率的成分也将有所不同。推进效率=有效功率/桨收到功率在二向度方法中,假设Qs=Q0并考虑到周向伴流的定义1-Wns=n0/ns,可得到下式:在上述各式中,下标s、2分别代表实艇和二向度方法,由(12)式可以看出,推进效率将由推力减额系数ηt、伴流影响系数ηw、及螺旋桨敞水效率η0组成。为了便于比较,本文将基于单向度方法的传统快速性预报程序同时列出,三个部分的预报方法同时列于表5、6、7中。5结果对比分析为了考察二向度实效伴流分数分析方法对快速性预报过程和结果的影响以及这种方法对预报不同艇型和螺旋桨载荷的适应能力,本文选取No.9A和No.4-1两种艇型作比较计算,分别用单向度方法和本方法预报了它们的阻力、螺旋桨工作点和负荷、推进效率及其组成和主机功率及转速。表8列出了设计航速附近两种方法的主要预报结果差别供比较分析。从计算结果来看,我们可以得出下列结论:(1)二向度方法预报的综合结果VS、NS、PDS与传统方法一致,其间的微小差异主要是由计算误差引起;(2)新方法预报结果相对于传统方法的异同如下:(1)艇后螺旋桨实际进速系数增加,即工作点向后移动,后移百分比对于No.9和No.4-1潜艇分别为8.2%、10.8%,这是计及周向伴流和轴向伴流分数减小的作用,对螺旋桨设计点的确定有重要影响。(2)艇后螺旋桨实际推力负荷系数减小,而且这种偏差随着推力负荷增加而增加,上述两型潜艇的螺旋桨设计负荷偏大的百分比分别为13.5%、16.8%。(3)艇后螺旋桨实际扭矩系数减小,而且这种减小同样随着推力负荷的增加而增加,上述两型潜艇螺旋桨实际所受扭力载荷减小的百分比分别为5.5%、5%,原因与(2)相同。(4)推进效率η不变,但其分量产生了如下变化;螺旋桨工作点的后移使其敞水效率η0有所提高,对于上述两型潜艇,η0提高的百分比分别为4%、7%。(5)主机发出功率PDS和主机转速NS不变。6发展船模快速性需要注意的问题船模自航试验数据分析和实船航速预报是经典的船舶水动力学研究热点。对于螺旋桨前方存在较强预旋流的许多现代船型,传统方法会给出大得难以接受的伴流分数,因此,寻找更合理、科学的方法十分必要。本文基于二向度实效伴流理论,建立了计及周向伴流的潜艇模型自航试验分析及相应的快速性预报方法,通过大量的应用得到如下主要结论:(1)二向度方法物理概念清楚、数值结果合理,且不增加试验工作量,但对试验质量控制有更高的要求;(2)二向度方法获得的轴向伴流分数Wa约比单向度方法相应的WT小1/5,这将导致螺旋桨实际工作点J增大,从而对其设计工况的确定产生影响;(3)基于二向度方法的实船快速性预报,其最终结果与传统方法