船用舵的水动力特性CFD分析

摘要船舵是调整船舶航向的重要操纵装置，针对船舵在流场中的水动力特性问题，本论文采用ICEMCFD与ANSYSCFX软件对船舵外流场区域进行几何建模和流场网格化分，对相关水动力特性进行数值计算。针对在不同攻角下，舵的流场，表面载荷进行计算分析，得到功角与舵的升力和扭矩的关系；在不同速度下，计算并分析速度与升力与扭矩的关系；确定舵的失速功角，分析失速时舵上载荷和流场特性。运用计算流体动力学方法（CFD），采用数值计算手段，将空间域与时间域上的连续物理量的场用有限个离散点的变量值来代替，按照一定的规则建立关于离散点变量值的代数方程组进行求解来获得这些物理量的近似值。对船舵外流场区域进行建模并选择计算域进行仿真分析，从而进行船用舵在流场中的水动力特性分析。关键词：水动力特性仿真分析表面荷载失速攻角AbstractRudder

is

an

important

control

device

to

adjust

ship

course.

aiming

at

the

hydrodynamic

characteristics

of

rudder

in

the

flow

field,

this

paper

uses

ICEM

CFD

and

ANSYS

CFX

software

to

model

the

flow

field

of

rudder

and

grid

the

flow

field

to

calculate

the

relevant

hydrodynamic

characteristics.

For

the

flow

field

of

rudder

at

different

angles

of

attack,

the

surface

load

is

calculated

and

analyzed,

and

the

relationship

between

work

angle

and

lift

and

torque

of

rudder

is

obtained.

At

different

speeds,

the

relationship

between

speed

and

lift

and

torque

is

calculated

and

analyzed.

By

means

of

computational

fluid

dynamics

(CFD)

and

numerical

calculation,

the

field

of

continuous

physical

quantities

in

space

and

time

domain

is

replaced

by

the

variable

values

of

finite

discrete

points.

The

hydrodynamic

characteristics

of

marine

rudder

in

the

flow

field

are

analyzed

by

modeling

and

selecting

the

computational

domain.

Keywords:

Hydrodynamic

characteristicsSimulation

analysisSurfaceloadStallangleofattack.目录目录摘要 IAbstract II目录 IIIDirectory V第1章绪论 11.1研究目的与意义 11.2国内外研究现状 21.3本文主要研究内容 3第2章理论基础 42.1船舵的几何参数分类 42.1.1普通舵 52.1.2特种舵 52.1.3主动式转向舵 52.2CFD数值模拟的基本理论与方法 62.2.1流体动力学基本控制方程 62.3船舵水动力相关方程 82.4ICEMCFD软件和ANSYSCFX软件的概述 102.5本章小结 11第3章船舵建模与流场网格划分 113.1NACA0015型船舵建模 113.1.1导入船舵翼型型值点 113.1.2二维船舵生成 133.2二维流场网格划分 143.2.1二维网格生成 143.2.2输出网格文件 153.3三维船舵与流场网格生成 163.4本章小结 17第4章二维流场仿真分析 174.1边界条件及求解设定 184.2船舵攻角设定 184.3不同攻角下压力和速度云图 194.4不同攻角对水动力系数影响 204.5本章小结 21第5章三维船舵水动力仿真分析 215.1边界条件及求解设定 215.2船舵攻角设定 225.3攻角和舵升力与扭矩关系 235.4速度对升力影响分析 245.5确定失速攻角 255.6失速时舵上载荷及流场特性 275.7本章小结 28结论 28参考文献 28致谢 30DirectoryDirectory

Summary…………

i

Abstract……………………..……

ii

Directory…………

iiiChapter

1

Introduction……………1

1.1

Purpose

and

significance

of

the

study

…………………..…….1

1.2

Status

of

research

at

home

and

abroad

………………..…….1

1.3

Main

research

content

of

this

paper…………………….……..

2

Chapter

2

Theoretical

Basis……………………..

2

2.1

Geometric

parameters

of

the

rudder

and

its

classification………….

2

2.1.1

Common

rudder

……………………..………….3

2.1.2

Special

Helms……………………..

4

2.1.3

Active

steering

gear…………….

4

2.2

cfd

Basic

theories

and

methods

of

numerical

simulation

Basic

governing

equations

for

……………………..42.2.1

Fluid

dynamics

……………4

2.3

Hydrodynamic

correlation

equation

for

rudder…………….6

2.4

Overview

of

icem

cfd

and

ansys

cfx

software……………8

2.5

Summary

of

the

chapter…………………………..….

9

Chapter

3

Modeling

of

rudder

and

mesh

of

flow

field………10

3.1

NACA0015

rudder

modelling

……………….………10

3.1.1

Import

rudder

airfoil

value

point

…………10

3.1.2

2D

rudder

generation

………………………….11

3.2

Gridding

of

two-dimensional

flow

fields……………………….12

3.2.1

2D

mesh

generation

…………….12

3.2.2Output

grid

file

……………………..14

3.3

Grid

generation

of

3D

rudder

and

flow

field………………….15

3.4

Summary

of

the

chapter………………..16Chapter

4

Two-dimensional

flow

field

simulation……………………..16

4.1

Boundary

Conditions

and

Solution

Set

………….16

4.2

Steering

angle

of

attack………………….17

4.3

Pressure

and

velocity

clouds

at

different

angles

of

attack

……………..18

4.4

Effects

of

different

angles

of

attack

on

hydrodynamic

coefficients

………………..19

4.5

Summary

of

the

chapter………………...20

Chapter

5

Hydrodynamic

Simulation

Analysis

of

Three-dimensional

Rudder...20

5.1

Boundary

Conditions

and

Solution

Set……………20

5.2

Steering

angle

……………….……………….21

5.3

Angle

of

attack

and

rudder

lift

and

torque

relationship

………………….22

5.4

Analysis

of

the

impact

of

velocity

on

lift…………

23

5.5

Determination

of

stall

angle

of

attack

…………….24

5.6

Load

and

flow

characteristics

of

rudder

at

stall

…………….26

5.7

Summary

of

this

chapter………………

27

Conclusion…………………………..27

References…………………………

28

Thanks………………….29第1章绪论1.1研究目的与意义船舵是用来掌控航船运动的重要设备装置，是控制船舶操纵性的主要部件，它是一块置于船尾部螺旋桨后面的一块能转动的板，因为其工作环境一般处于水流中，通过水流的作用，使其在船舵表面产生相应的水动力从而产生一定的升力，从而达到控制船舶的航行操纵目的。研究分析船用舵的水动力特性的目的是为了求出作用在舵上面的水动力和力矩，选取更适合的舵机及舵杆和其他部件的大小。航运业是全世界运输业中不可或缺的重要组成部分，并且随着经济的快速发展，目前对航运业要求也越来越高，船舶日渐速度化、大型化，因此也对航船的操纵性要求越来越高，因此对舵的水动力特性CFD分析具有重要的理论和实际应用价值。对于船用舵的水动力特性分析，一个重要方法就是运用计算流体动力学方法（CFD），采用数值计算手段，将空间域与时间域上的连续物理量的场用有限个离散点的变量值来代替，按照一定的规则建立关于离散点变量值的代数方程组进行求解来获得这些物理量的近似值。从而得到船用舵在流场中不同变量下的性能特性，本文将通过计算流体动力学的相关软件和理论计算对船用舵在外部流场相应变量下数据进行分析，为船用舵的研究设计提供一定的参考价值。图1.1大型航运船舶图1.2国内外研究现状国内外在对船舵水动力特性研究方面多数是对普通舵进行分析研究，研究的舵大多为被动舵，而对船舵水动力的研究大概分为三种方法，别为理论分析法、实验法和数值模拟法。第一种理论分析法，郭春雨[1]等采用面元法计算敞水中襟翼舵、螺旋桨与襟翼舵相互干扰的水动力性能，与单襟翼舵对比，桨后舵在相同舵角的情况下，法向力系数有所增加。张继静[2]基于传统理论分析舵的面积、展弦比、厚度比、平衡比对舵的水动力性能的影响，通过前人的试验结果对比，分析舵对操纵性的影响，研究不同参数舵型来获取舵最优的水动力性能，参照已经验证的船舶操纵运动方程和计算船体水动力系数的附带修正的公式，用VB编写船舵舵初级设计软件。Jamalabadi

等[3]基于势流理论，利用解析法计算了水翼舵和螺旋桨系统的频率响应，从水翼舵的三阶固有频率、长宽比、空化指数分析发现，入射角和长宽比增大，空化指数降低，固有频率增大。理论分析与实验验证两种方法相互结合确保了研究问题的准确性。赵琦[4]基于势流理论面元法建立普通舵和襟翼舵的水动力计算模型，编写Fortran程序分析了NACA0020翼型舵襟翼角为5°不同舵角下的水动力性能，计算结果预报与风洞试验数据吻合，并设计了襟翼舵的传动控制机构。朱锋等[5]通过响应面模型方法和应用Bezier翼型重构方法、PSO优化算法对舵进行优化设计，使舵效优于基于水池试验和CFD数值仿真试验结果建立回归公式，对其他类型舵设计提供参考。第二种实验法，关于舵的实验研究大多是在船体操纵性方面和舵的回转性进行实验，主要从舵的舵形的水动力特性和悬挂方式两方面方面进行分析研究。季少鹏等[6]在拖曳水池实验室进行了船后自航和敞水状态下桨舵相互干扰水动力特性模型试验，分析比较了常规舵和2种扭曲舵敞水的推进效率,敞水试验状态下，调整桨舵纵向问距、螺旋桨负荷，对舵的升力有影响,结果表明，只要扭曲舵合理设计，可以在保持操纵效能的基础上，提高船舶的快速性能。翁欢英[7]通过船模试验、改型操纵性试验、实船试验法初步探讨小水线面双体船型SWATH的2.5%的舵面积对船体操纵性满足要求，但没有研究增加制流板或改为襟翼舵等方面对船体的操纵性影响。付翯翯等[8]通过

CFD方法和自航试验研究了扭曲舵对船桨舵自航推进效率的影响，研究发现数值仿真自航点与试验结果吻合，合理设计扭曲舵可以提高螺旋桨的推进效率。王威等[9]通过拖曳水池自航约束模型试验和CFD方法研究了扭曲舵上舵力和舵轴扭矩的变化，通过回转运动时的飘角影响分析，扭曲舵比普通舵受力状态有所改善，操纵性能有所提高。最后一种是数值模拟法，由于数值模拟法有优越的经济效益性。杨勇[10]采用CFD方法，通过二次开发的动网格技术的应用，模拟了KVLCC1船体船模在深水和浅水中纯横荡运动以及浅水中纯首摇运动的粘性流场，计算了模型上的横向力和首摇力矩。赵大刚[11]采用CFD方法模拟计算船-桨舵-舵球式推力鳍系统水动力，其中采用ICEM

CFD进行混合网格划分，利用VOF方法和SSTk-w的湍流模型计算考虑自由液面的KCS散货船的裸船体、船体桨-舵和船体桨-舵-舵球式推力鳍系统的水动力性能，研究发现船体-桨-舵-舵球推力鳍系统的螺旋桨推力最大，说明舵球推力鳍具有减阻助推节能作用，分析了不同的桨舵球间距、推力鳍的弦长、展长及安装角度对舵球的节能效果不同，有待进一步深入研究。冯松波[12]同样采用CFD方法，基于RANSE方程模拟了KVLCC2船舵系统和船桨舵系统斜航及不同舵角下直航的水动力性能，从船体的横向力、转首力矩、舵的表面压力、螺旋桨后方轴向速度和涡量分布情况分析了桨对船舵系统干扰情况，并求取了船-桨-舵水动力干扰系数。Giulio等[13]采用CFD方法模拟了海军补给船单独舵和双舵对船体的水动力性能，从对船体所受的合力和合力矩分析，发现双舵能够改进单独舵的偏航能力和提高船体的稳定性，但是面对大的横向运动和转角还需要提前预行判。王友乾等(2017)[14]通过Star-CCM软件计算了舵桨敞水性能，并基于舵对螺旋桨后尾流场影响设计扭曲舵,研究了普通舵和扭曲舵的转矩和所受横向力与舵角的关系，发现扭曲舵受力状态有所改善，对船体的直航性和舵体的操纵性能有所改善。谢俊超(2011)[15]主要采用CFD方法，标准k-ε方程，Gambit创建非结构化网格，计算稳态襟翼舵三维数值模拟，所得襟翼舵升力系数、阻力系数和扭矩系数与襟翼舵水槽拖曳试验结果-致，从展弦比、雷诺数分析发现，展弦比越大，临界舵角越大，雷诺数越大，升力系数只是在临界舵角附近略微增加，同时利用VB开发了具有舵型设计、水动力计算、强度校核计算及设计计算报告输出等功能的软件。徐文涛等(2016)[16]通过CFD方法中的SSTk-w湍流模型结合泰勒水池试验对剖面翼型为NACA0015的舵进行水动力失速角研究发现，雷诺数对舵的失速角存在较大影响，建议雷诺数选取1.0E+6量级以上。哈尔滨工程大学船舶工程学院:黄胜、虞海军、聂云凌、倪绍毓[17]1995年发表的《贝克型襟翼舵性能理论计算及图谱》,用升力面理论方法计算敞水及浆后尾流场中贝克型襟翼舵的水动力性能，理论计算值与实验结果吻合良好。无锡中国船舶科学研究中心的马向能、朱小敏、江汉民、沈定安[18]1999年发表的(新型襟翼舵水动力性能系列试验》通过对新型襟翼舵舵模的正交试验研究，给出一套包括襟翼舵法向力导数、临界攻角和法向力系数的回归公式。在以上介绍的国内外学者对于船舵或者相关水动力方面的研究，都主要通过拖曳水池敞水实验法、理论分析法和数值模拟法进行了船舵的水动力性能研究，都是集中在对于船舵自身的几何参数等方面研究，并分析了船舵几何参数的变化给船泊操纵性带来的影响。通过数值模拟方法和实验法的结合，再对船舵网格划分并计算和流场合理选择湍流模型这样最后得到的结果具有可靠性，给船舵在流场中所受的水动力特性分析带来巨大优势。1.3本文主要研究内容本文将选取剖面翼型为NACA0015的矩形船舵，以相关流体动力学理论为基础，以流体动力学软件以及建模与网格化分软件ICEMCFD与ANSYSCFX软件为前提，对单独舵在流场中所受的水动力进行以下研究与分析：1.对剖面翼型为NACA0015型几何形状为矩形的船舵进行二维和三维建模和进行流场网格化分。2.针对在不同攻角下进行计算，通过结果分析舵在流场中所受的法向力系数、升力系数和阻力系数等相关的水动力系数，对舵的表面流场与表面载荷进行分析，得到功角与舵的升力和扭矩的关系；3.在不同速度下，计算并分析速度与对船舵水动力特性带来哪些影响；4.确定舵的失速功角，分析失速时舵上载荷和流场特性。第2章理论基础2.1船舵的几何参数分类舵叶的形状由舵参数表现，因此舵参数是舵水动力特性系数计算的基础：几何参数舵面积舵高舵宽平均展弦比平衡比厚度比面积比剖面形式符号Ahbλetμ对称、不对称单位cm2cmcm表2-1船舵几何参数表目前国内外使用较多的是流线型舵剖面,其中美国的NACA型、前苏联的茹柯夫斯基(He*)型、德国的JfS型、瑞典的NSS型等系列使用较多，此外，还有哥廷根大学的GO,台劳水池的JMB及NUNK系列，目前在我国应用较为广泛的有NACA型和Hex型，通过长期实践证明，这两种舵剖面的应用性能没有太大差别，此外还有多种舵剖面形状及结构类型，在此介绍几种舵效较好的常用舵型[19][20]，以下是在实船中有关船舵的图片：图2.1实船中船舵与船体及螺旋桨位置图2.2普通船舵实体图图2.3船舵与螺旋桨关系舵的形式很多,按照不同标准有多种分类方法。简单可分为三大类，分别是普通舵、特种舵和主动式转向舵：2.1.1普通舵按舵杆轴线按舵的支承形式按舵叶剖面不平衡舵平衡舵半平衡舵半平衡舵双支承舵悬挂舵半悬挂舵平板舵流线型舵2.1.2特种舵除了普通的舵型外，还开发出了特种舵，因为在某些特殊情况下，为了满足船舶航行过程中的操纵性，特种舵能满足这种要求。人们对于特种舵设计是建立在普通舵基础上的，对普通舵型进行某些方面的适当改造，就开发形成了各种特种舵，特种舵是被动式舵，主要有:襟翼舵、鱼尾舵、反应舵、整流舵，制流板舵及麦鲁舵等2.1.3主动式转向舵主动式转向舵顾名思义是自身可以产生出推力的一种舵型，因为它在操纵装置上安装了相关的能源装置，因此自身可以产生推力。常见的主动式转向舵有主动舵、转柱舵和反应舵等等。

2.2CFD数值模拟的基本理论与方法计算流体动力学英文是computational

fluid

dymamics，因此它的缩写为CFD,计算流体力学（CFD）随着计算机技术的快速发展逐渐地成为了实验流体力学与理论流体力学之外的一种重要的研究手段，CFD这门学科交叉结合了流体力学与数值计算技术，但是流体力学和数值计算二者相比较，数值计算对流体力学起到了辅助的作用，流体力学处于更重要的位置，数值计算是一种辅助手段，流体力学才是最终目的。CFD的主要思想是将空间域与时间域上的连续物理量的场(如速度场、温度场、压力场等)用有限个离散点的变量值来代替，按照一定的规则建立关于离散点变量值的代数方程组进行求解来获得这些变量的近似值，流体流经流场中无限小体积的流动区域或是流动微团时，流体在流经流动微团的流动过程中需要同时满足质量守恒方程、动量守恒方程和能量守恒方程这三大方程，通过三大方程就能够建立起描述流体运动特征的微分格式的方程组，即Navier-Stokes方程[21]。早在17世纪，法国和英国就已经奠定了实验流体力学基础，18到19世纪,理论流体力学也逐渐发展起来，其重要的代表人物是L纳维和GG斯托克斯，他们分别于1823年与1845年独立的建立了不可压缩与可压缩粘性流体的运动方程组(简称N-S方程)，从此开始了粘性流体运动的研究[22]。2.2.1流体动力学基本控制方程流体流动被物理守恒规律所支配，基本的守恒定律包括:质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律(即热力学第一守恒定律)，上述定律对流体运动的数学描述就是流体运动基本方程组，但这个方程组是不封闭的，若流体在湍流状态下流动，则流动还需要遵守湍流控制方程，若流体流动包含有不同成分的混合或相互作用，则流动还需要遵守组分守恒定律[23]。当在数学上应用时，我们一般把运动守恒方程也叫为控制方程。一、质量守恒方程在一个确定的系统中，我们可以把质量守恒的原理理解为在这个系统中没有和不存在其他质量源或着汇入其他质量的条件下，质量在此系统中不随时间的变化而变化。我们可以用数学将其表述为:

∂ρ∂t+∂(ρu)∂x+∂(ρv)∂y∂ρ∂t引入散度的符号∇，即∇∙a=diva=∂axx+∂ayy+∂azz，上式可写为

∂ρ∂t+∇∙二、动量守恒方程动量守恒定律是流体运动过程中必须要遵守的定律，在x、y、x三个方向上质量力和表面力的微分形式我们可以将其表述为:

∂(ρv)∂t∂(ρw)

式中，ρ表示流体密度，P是作用于流体微元体的压力，τxx、τxy、τxz是微元体表面受到的粘性应力τ的分量，Fx,Fy,Fz是微元体的体力。以上这个动量守恒方程式对任何类型的流体都成立包括非牛顿体，它对流体的无黏性或着是有黏性的性质和如它的热力学流动过程，化学流动过程等流动过程没有关系，我们只要对它的边界条件参数已知（即进口边界和出口边界上的流体三、能量守恒方程满足能量守恒定律是因为流体运动时一般包含了热交换，在伴随有热交换的流体中，它是最基本的一个定律。能量守恒定律可以这样理解：微元体中的能量增加率等于微元体上体力与面力对其做的功加上进入微元体的净热流入量，用数学形式这样表达:

∂(ρT)∂t+divρuT=divkcpgradT+ST(2-5)

其中，cp是比热容,T为温度，k为流体的传热系数，ST为流体流动时产生的内热源，而在流场中因为粘性的作用部分流体的机械能会转化为热能产生的那部分，即粘性耗散项。流体流动和传热时问题的基本控制方程就是能量守恒方程，当流体为不可压流体流动时，如果其四、质量守恒方程在一个系统中，当它是特定的时候，一般有物质的交换并且存在各种化学组分，但是它们都必须遵守质量守恒方程。在一个确定的系统它的质量守恒方程这样表达描述:它在这个系统中的化学组分质量相对于时间的变化率，和通过系统界面净扩散量总和与通过化学反应而产生的生产率相等。根据组分定律质量守恒方程的数学形式：

∂(ρc

上式中，cs为组分的体积浓度，ρ为流体密度，Ds是扩散系数，2.3船舵水动力相关方程通常情况下，对于单独舵的水动力实验，所得的实验结果为了方便实际中使用采用的是无因此的形式来表述的。在船舵以一定的攻角在无限流场中做均匀速度运动时，当把在船舵舵叶处水流流动时其他外部因素对它的影响忽略掉时，它和机翼在相同运动时一样，因此他也可以叫做机翼定常运动。从机翼理论来说，我们把翼型表面的水流流速定为V,当船舵攻角为α时船舵舵叶就会产生一个作用力舵压力P。舵叶边缘到舵压力中心的距离为X，它的压力中心距X和舵压力P都会随着船舵攻角α的改变而改变，要把舵压力P和舵叶与船体的运动方向相联系起来，我们可以把舵压力P分解为平行于来流方向的分力P和垂直于流体来流方向的分力P,或着可以分解为平行于舵叶对称平面的分力P与垂直于舵叶对称平面的分力P,它们在舵的水动力特性公式中都有各自的名称[2]，表述为：舵压力（水动力）：P=PN舵法向力：PN=舵切向力：PT=舵升力：Py=舵阻力：Px=α是舵叶转动的角度，即舵角。水动力对舵叶边缘的力矩：M=PN对于舵杆轴线的力矩即（扭矩）这样计算，当舵叶边缘的距离到舵杆轴线的距离为a时，它的力矩为：Ma=图2.4作用在舵剖面上的力为了方便将所得的结果运用到现实中舵上面，常常把上面水动力公式和舵杆扭矩公式采用无因次系数表示：升力系数CL阻力系数CD=法向力系数CN=扭矩系数CM=压力中心数CP=因此，水动力特性中常用到以下关系式：C=CLP=0.5ρ⋅v2CN=CP=此处CM是指法向力对舵杆中心线扭矩的系数其中:

L-舵的升力

D-舵的阻力

V-水流速度，m/s;

A-舵面积，m2;

ρ-水的密度，淡水为1000kg/m3,海水为1020kg/m3。

在流体动力学中，船舵的水动力系数升力系数、阻力系数和压力中心系数随着船舵在流场中的运动情况和几何形状变化，运动情况中主要是攻角α的变化。在流体力学中根据机翼的相似理论，我们可以知道只要几何形状相似和在流场中流动状态相同的情况下他们的升力系数CL,阻力系数CD和压力中心数C2.4ICEMCFD软件和ANSYSCFX软件的概述ANSYS软件是是一款大型的商用软件，而ICEMCFD和ANSYSCFX便是属于这个软件当中的一部分。ICEMCFD软件是一款用于计算流体力学（CFX）中的前处理软件，对流体力学模型的计算网格是最基本的表达形式同时也是数据分析与数据储存的载体，因此ICEMCFD软件是CFX软件在前处理中用于网格划分最常用的两种软件之一，另一种为TurboGrid软件。CFX软件提供了从网格到流体计算以及后处理的整体解决方案，CFX商用软件是目前在国际应用中受到广泛欢迎的一款软件，它所能求解的问题涉及到了流体、化学反应、热传递和燃烧等等相关的工程领域，它的功能结构由几何建模、网格划分、前处理、求解和后处理五个部分组成如下图2.5所示。之前由于计算机和算法的发展水平,CFD只能局限在二维流动范围，随着研究工作的不断深入，到了1990年，CFD已经可以进入三维流场世界了,其实用价值也得到了不断的提高，近十年来，经过对CFD的不断改进，几乎所有涉及流体流动、热交换、分子输运等问题，都可以运用CFD进行模拟和分析了，CFD不仅作为一种研究工具，而且还作为设计工具在水利工程、土木工程、环境工程、食品工程、海洋工程、工业制造等诸领域发挥着重要的作用[24]。关于CFD软件，它在软件开发和质量标准方面强烈的重视，以保证相关研究设计的可靠性。一是实用性，目前在船舵CFD研究方面，它能研究船舵所受表面压力与速度分布，表面流线、伴流场等等有关舵设计方面的需求。二是可靠性，CFD对船舵相关水动力特性的计算和预报分析,有着足够的精准度保证。三是通用性，CFD软件的计算机程序有多种软件接口，和相应的计算结果后处理功能。四是有效性。五是可维性，CFD软件具备自身维护能力。随着计算机性能的快速提高和计算数学理论的不断发展完善，数值方法在理论研究领域已经得到广泛应用，当前，CFD方法在舵水动力计算方面已经得到了一定程度的应用[25]。图2.5CFX软件结构图2.5本章小结本章主要对流线型船舵相关的理论基础说明，然后进一步的归纳阐述了对舵水动力特性的重要影响因素，首先是船舵的几何参数，它是船舵在工作中影响其水动力特性的几大主要参数，也是研究计算水动力的基础；其次介绍了船舵的分类，船舵根据不同工作环境下要求的工作效率、工作方式、几何形状、组成结构等多个方面的不同进行分类介绍；下面就是关于CFD数值模拟的基本方程概水动力特性公式的概述，介绍了流体力学的基本控制方程和水动力研究的相关理论奠定可靠的理论基础，最后是ICEMCFD软件和CFX软件的概述及应用原理。第3章船舵建模与流场网格划分本次课题研究对船舵模型翼型采用剖面为NACA0015型的矩形船舵，舵模型截面弦长为800mm,舵的展长为1200mm。然后对NACA0015翼型舵模型进行二维流场网格划分和三维舵模型建立以及三维舵外流场网格划分。二维流场的计算域我采用的是左边是一个半圆的形状，关键点坐标为（-5、0、0），右边为正方形形状，关键点坐标依次为（0、5、0），（0、-5、0），（10、-5、0），（10、5、0）.三维船舵是通过对二维翼型的垂向拉伸以及对二维流场网格拉伸不同的长度得到。3.1NACA0015型船舵建模3.1.1导入船舵翼型型值点NACA0015型值点，下面两列分别为型值点的x坐标和y坐标，共121个型值点。1.0000000.0015750.9993150.0016950.9972610.0020550.9938440.0026510.9890740.0034780.9829630.0045320.9755280.0058030.9667900.0072830.9567730.0089600.9455030.0108220.9330130.0128580.9193350.0150530.9045080.0173930.8885730.0198630.8715720.0224490.8535530.0251340.8345650.0279040.8146600.0307410.7938930.0336310.7723200.0365580.7500000.0395040.7269950.0424530.7033680.0453880.6791840.0482920.6545080.0511470.6294100.0539340.6039560.0566340.5782170.0592290.5522640.0616970.5261680.0640200.5000000.0661750.4738320.0681430.4477360.0699030.4217830.0714350.3960440.0727190.3705900.0737360.3454920.0744680.3208160.0749010.2966320.0750190.2730050.0748100.2500000.0742660.2276800.0733780.2061070.0721430.1853400.0705590.1654350.0686280.1464470.0663540.1284280.0637450.1114270.0608100.0954920.0575610.0806650.0540130.0669870.0501810.0544970.0460830.0432270.0417360.0332100.0371580.0244720.0323670.0170370.0273790.0109260.0222120.0061560.0168790.0027390.0113930.0006850.0057640.0000000.0000000.000685-0.0057640.002739-0.0113930.006156-0.0168790.010926-0.0222120.017037-0.0273790.024472-0.0323670.033210-0.0371580.043227-0.0417360.054497-0.0460830.066987-0.0501810.080665-0.0540130.095492-0.0575610.111427-0.0608100.128428-0.0637450.146447-0.0663540.165435-0.0686280.185340-0.0705590.206107-0.0721430.227680-0.0733780.250000-0.0742660.273005-0.0748100.296632-0.0750190.320816-0.0749010.345492-0.0744680.370590-0.0737360.396044-0.0727190.421783-0.0714350.447736-0.0699030.473832-0.0681430.500000-0.0661750.526168-0.0640200.552264-0.0616970.578217-0.0592290.603956-0.0566340.629410-0.0539340.654508-0.0511470.679184-0.0482920.703368-0.0453880.726995-0.0424530.750000-0.0395040.772320-0.0365580.793893-0.0336310.814660-0.0307410.834565-0.0279040.853553-0.0251340.871572-0.0224490.888573-0.0198630.904508-0.0173930.919335-0.0150530.933013-0.0128580.945503-0.0108220.956773-0.0089600.966790-0.0072830.975528-0.0058030.982963-0.0045320.989074-0.0034780.993844-0.0026510.997261-0.0020550.999315-0.001691.000000-0.0015753.1.2二维船舵生成导入NACA0015翼型船舵型值点后,船舵翼型由121个点组成，然后把这些点由一条线收尾相连生成NACA0015翼型二维船舵图如下：图3.1导入NACA0015翼型舵点后平面图图3.2NACA0015翼型舵平面图3.2二维流场网格划分3.2.1二维网格生成船舵的流场网格采用C型网格划分方式，建立非结构网格：图3.3NACA0015二维流场网格图图3.4NACA0015翼型舵局部网格图3.2.2输出网格文件由于CFX软件不能计算平面网格，因此我们把平面网格往法向拉伸0.1，首先选择全部模型，在Newvolumepartname后面输入“Fluid2d”,在Newsidepartname后输入“side”,在Newtoppartname后输入“top”,然后输出网格文件。图3.5拉伸后流场网格图图3.6拉伸后翼型附近局部网格图 3.3三维船舵与流场网格生成NACA0015翼型舵三维流场网格的生成是建立在二维基础上的，首先把二维船舵翼型往法向拉伸1200毫米，即生成三维船舵网格展长为1200mm,然后把舵外流场网格X轴旋转1800图3.7NACA0015船舵三维网格图图3.8NACA0015船舵外部流场三维网格图3.4本章小结本章主要介绍了NACA0015翼型船舵在ANSYS软件中二维及三维的建模和对其舵外流场进行网格划分，通过ICEMCFD划分结构化网格Y-Block较好的处理了舵型和外流场计算域比较层的网格划分，舵外流场网格为非结构化网格，更加精确了船舵攻角变化时的网格划分效率。第4章二维流场仿真分析4.1边界条件及求解设定该二维流场的计算域我采用的是左边是一个半圆的形状，关键点坐标为（-5、0、0），右边为正方形形状，关键点坐标依次为（0、5、0），（0、-5、0），（10、-5、0），（10、5、0）.在ANSYSCFX前处理中，计算域及边界条件的设定是及其关键的一个步骤，计算域设置中，介质为水，水流为湍流K-Epsilon.我们把入口边界设定为速度入口，给定不同的水流速度以及来流速度对于船舵的攻角，以改变对于船舵在不同攻角和不同速度下对于水动力特性的计算和分析，压力不做设定。出口边界（outlet）速度不做设定，压力为0Pa.壁面为无滑移壁面。图4.1二维船舵计算域图图4.2二维流场边界条件设置图4.2船舵攻角设定本论文因为要研究船舵在不同功角和不同速度下的水动力特性，因此我们可以改变船舵外部流场速度的方向和速度大小以满足不同条件下的数值仿真计算，以便分析。对于不同功角的设置，我采用的是在原先网格的平面上建立一个新的坐标系，因为新坐标系的XZ平面与原先的XY平面是重合的，所以我们可以通过改变新坐标系Z轴与原来平面X轴的夹角来满足船舵的不同功角条件。关于不同速度的条件设置，我们只需要改变水流沿Z轴方向的速度就可以实现。新建坐标系如下图所示：图4.3改变船舵攻角的坐标系4.3不同攻角下压力和速度云图下图为NACA0015翼型船舵在二维流场中攻角分别为150、200、250和300时的图4.1在150、200、250和30图4.2在150、200、250和300攻由图4.1可以明显看出不同攻角下船舵压力云图表现不同，压力区随攻角的变化而变化，即表面压力也随攻角的改变而改变。由4.2速度分布云图可以看出不同攻角下，流场速度方向也随之改变，因此作用在船舵上的压力区也随之改变，所以船舵表面压力也随速度方向的改变而改变，由图分析可以得到船舵表面载荷受来流攻角影响。4.4不同攻角对水动力系数影响通过资料查询可得NACA0015舵在λ=1，升力系数CL、阻力系数CD、压力中心数C系数510152025303540C0.1410.2890.4410.6220.7750.9260.7130.686C0.0260.0420.0690.1350.2170.3200.5280.605C0.1520.1780.2070.2400.2550.2770.3920.400表5.1NACA0015翼型舵不同攻角水动力系数由表可知：1.力系数CL在船舵攻角为50至400之间的数值变化为50至300之间逐渐增大，300至400之间逐渐减小，由此可知在一定范围内升力系数会随着船舵攻角的增大而升增大，它们之间呈正比关系，当攻2.阻力系数CD在船舵攻角为50至400之间的数值变化逐渐增大，由此增大，二者呈正比关系。即在一定范围内攻角越大船舵所受阻力也逐渐变大。3.压力中心数CP在船舵功角为50至400之间的数值也是逐渐增大，因此可知船舵的压力中心数随船舵攻角的增大而增大，二者呈正比关系。即在一定范围内攻角越大船舵所受压力4.5本章小结本章在ANSYSCFX前处理中计算域和边界条件参数的设定对二维状态下船舵水动力进行数值计算，采用湍流模型综合考虑剪切应力的输入特性，精确的对船舵外流体流动现象和船舵所受到的水动力进行了精确和可靠的分析，一方面分析了船舵在二维流场中不同攻角下的压力云图和速度云图，也通过检索资料得到NACA0015翼型舵在不同攻角下的水动力系数，通过分析二维流场中压力云图以及表中水动力系数变化规律可知船舵水动力系数受攻角变化影响，为下一步三维船舵的仿真计算分析打下基础。第5章三维船舵水动力仿真分析5.1边界条件及求解设定对于船舵在三维状态下的边界条件和求解设定，计算域大概呈一个半圆柱形状，弧形面为入口边界（inlet），入口设置不同的水流速度及不同攻角来流速度以改变对于船舵在不同攻角和不同速度下对于水动力特性的计算和分析，压力不做设定。半圆柱形X轴方向截面为出口边界（outlet），压力为0Pa.在参数设置中，介质为水，水流为湍流K-Epsilon.壁面为无滑移壁面。图5.1三维进口边界图 图5.2三维出口边界图图5.3三维流场边界条件设置图5.2船舵攻角设定在三维流场中，关于攻角的设定也和在二维流场中一样采用的是在原先网格的平面上建立一个新的坐标系如下，然后通过改变新坐标系Z轴与原来平面X轴的夹角来满足船舵的不同攻角条件。关于不同速度的条件设置，我们也是根据不同要求改变水流沿Z轴方向的速度来实现，根据计算结果我们可得到三维流场的流线图和速度矢量图如下所示：图5.4改变船舵攻角的坐标系图5.5三维船舵流场流线图和速度矢量图5.3攻角和舵升力与扭矩关系图5.6攻角150

图5.7攻角300时叶面和叶背压力云图由图5.6，图5.7可以明显的看出当船舵攻角逐渐增大，压力点逐步从舵的前缘逐渐向后缘移动，高压区和低压区分布明显。并且船舵舵叶正面和舵叶背面云图显示颜色色差逐渐增大，因此所表示舵叶正面和背面所受的升力差逐渐增大，所以在一定攻角范围内，船舵攻角越大，舵叶上所受升力越大。5.4速度对升力影响分析刚开始，我猜测速度可能会对船舵升力系数产生影响，于是关于不同速度对于船舵水动力特性的影响分析，本次课题我采取了关于船舵在流场中所受速度的设置来流分别为5m/s、10m/s和15m/s的不同速度仿真分析。由图5.8舵上压力云图和速度云图分析可知，在同一个攻角下，流场中来流速度逐渐变大，但是船舵表面所产生的压力变化特别小。从图5.9中可以看到NACA0015翼型舵升力系数随速度逐渐增大时的变化曲线得出结论，在一定攻角的情况下，升力系数与速度无关。图5.8速度为5m/s和15m/s时舵上压力和速度云图图5.9NACA0015舵升力系数随速度变化曲线图5.5确定失速攻角关于舵的水动力系数中，升力系数CL的变化是随着船舵攻角的增大逐渐增大的（当在一定范围攻角内），可是在突然到达某一攻角时升力系CL数会突然间下降，有可能也会出现不稳定的一种状态，这时出现的现象是因为舵上的水流与船舵发生流动分离现象而产生的，我们把发生这个现象时的角度叫做临界攻角，在临界攻角时船舵表面所受的升力处于最大值，当过了临界攻角后如果继续增大船舵攻角，此时升力系数会减小即产生失速现象，因此临界攻角即为失速图5.10和5.11为攻角200和250时流场压力云图和舵上压力云图，图5.12为攻角图5.10攻角200和25图5.11攻角200和25图5.12攻角300图5.13NACA0015舵升力系数随攻角变化曲线图从上图5.10至图5.13可以看出，船舵在流场中和舵叶表面的压力从攻角200到300之间明显变小，所以船舵在攻角为200到300之间经历了失速过程，可以看出在5.6失速时舵上载荷及流场特性当船舵与水流发生大范围的流动分离即为失速，它的发生表现为船舵后面的水流线出现多个漩涡和回流的现象。如图5.12所示，此时流场压力云图和舵上压力云图皆为船舵发生失速时的压力云图，从图中可以看到舵叶表面和舵在流场中所受的压力大大减小，因此发生失速时舵上载荷与正常时相比载荷减小。在船舵发生失速的时侯，舵叶表面与水流产生分离现象，并且产生分流和漩涡如图5.14，综合以上图5.10、5.11的云图和图5.14中水流的变化情况分析失速时的流场特性，即当船舵与水流发生失速时船舵背面流线发生多个漩涡和回流的现象，说明在流场中发生了大范围的流动分离，在失速后船舵的舵上压力明显减小，流场中水流流动复杂并产生了明显的漩涡。

图5.14失速时舵上流线图5.7本章小结本章通过对NACA0015翼型舵三维状态下所受的水动力特性进行分步和具体的分析，对船舵在不同攻角和不同速度下所受升力进行分析得出它们之间所存在的关系及流场特性。然后通过计算结果和舵上载荷分析得出失速攻角，并分析了失速时舵上载荷及流场特性。结论总结全篇文章，我们通过ANSYS软件对NACA0015翼型船舵进行计算研究了船舵在二维和三维状态下的水动力特性问题，通过ICEMCFD和CFX软件的建模和网格划分并计算出相关数据，对其水动力特性研究分析得到以下结论。当攻角