基于二向度實效伴流理論的艦艇快速性模型試驗分析方法

1周向伴流的考慮盡管戰艦速度是戰艦的重要戰術指標，但戰艦速度測試通常包括船只模型的開放式試驗、船只模型的阻力試驗，以及與海洋體配合的船只模型的自航行試驗。敞水試驗和阻力試驗處理方法比較統一。關于自航試驗的處理,在水面船中,由于船型的不同導致船尾流場的變化,國內外發展了許多不同的處理方法;近年來在潛艇前置導葉的研究中發現,加裝前置導葉后,潛艇尾部存在一定的旋轉流動,在中國船舶科學研究中心為此進行的流場試驗中〖7]也清楚地發現,潛艇尾部確實存在相當的周向流動。對于這種情況的自航試驗處理,傳統方法得到的自航因子難以接受,特別是伴流分數很大。通過分析發現,這很大程度上是由于沒有考慮到周向流動的影響,為此文獻提出考慮潛艇的周向伴流,并將文獻提出的應用于水面船的二向度伴流理論應用于潛艇,證明了考慮潛艇周向伴流的必要性。本文從文獻的二向度理論出發,建立了應用于潛艇快速性自航試驗分析的二向度方法,介紹了二向度方法系統應用的情況,說明二向度方法處理的合理性,并將該方法的應用得到的一些有意義的結論以及實際應用中應注意的問題作了簡單介紹。潛艇快速性預報也是快速性試驗的最終目標,本文在所建立的二向度方法的基礎上,引入摩擦形狀因子的概念,提出了一個新的潛艇快速性預報方法。2根據所處的狀況,設計一個1/q值,將所對應的dna結合到整體結二向度方法所需的試驗數據與傳統的方法一樣,不需要在試驗中增加數據;在試驗數據處理上,與傳統等推力法不同的是通過假設艇后螺旋槳的推力和扭矩與敞水的推力和扭矩相等,來修正艇后的速度和轉速。兩者的速度與轉速的差別分別用軸向伴流分數的周向伴流分數來表示,并分別定義如下:Wn———稱之為轉速伴流分數或者為周向伴流分數。由上述可知,當知道設定槳在自航試驗中受力的情況后,就可以從該設定槳的敞水曲線組的TD/Q曲線上找到相應的一點,和與之對應的J0值,再通過n2=T/ρD4KT=Q/ρD5Kq的關系得到na的數值,進而再得到Va的量值。確定上述伴流分數的具體方法如下:(1)假定T0=T和Q0=Q,則相應的TD/Q也相等,因此只要在傳統的敞水螺旋槳性能曲線圖上,增加一條TD/Q曲線,其值與Kt/Kq值相同,以自航點的TD/Q作為輸入值讀敞水曲線,得到對應的J0,Kq0,Kt0(下標0表示敞水值),其中J0實際上代表了一只螺旋槳在艇后與敞水中發出同樣的推力和扭矩時所對應的運動工況,此時有:(2)由實效周向伴流分數定義得:由實效軸向伴流分數定義得:(5)式和(6)式即為求得的實效軸向和周向伴流分數。另外,筆者還對二向度與單向度方法的特點進行了分析,根據兩種方法的特點和假設,得出兩種方法的自航因子的關系如下:(7)、(8)式又可寫成CQ和CL取決于槳敞水性征曲線和設計點J0,即螺旋槳幾何和運行工況;CL和CQ具有十分重要的物理意義,它們代表了兩種方法獲得的螺旋槳在實際工作點推、扭力負荷的差別,這種差別反映了傳統單向度方法不真實的程度。根據文獻和公式(9)、(10),我們將有無周向伴流時兩種方法獲得的螺旋槳運動和力特征參數的關系總結歸納在表中由表1可見,若CL、CQ已知,則單向度方法的結果WT、ηr與二向度方法的結果Wa、Wn可以互相換算;表中所列結論不僅給出了明晰的物理意義,而且定性地給出了兩種方法分析結果之間的關系,并可用來校核試驗結果及分析計算的正確性。3向度方法在艦隊槳前區域的影響根據已有的試驗結果,筆者將二向度方法系統地應用于大量潛艇模型快速性試驗分析,典型結果表示在圖1和表2-4,可以看到:(1)用KT或KQ曲線計算的Wa、Wn差異極小,在使用時,可任選其中一個,其差別主要是由于讀數時的誤差造成的;(2)二向度方法得出的伴流分數曲線波動較大(圖1),對測量誤差反映靈敏,對試驗質量控制有更高要求;對各方案的實效伴流分數計算結果進行比較分析,發現:(1)二向度方法計算得到的軸向伴流分數Wa普遍小于單向度計算得到的WT,在計算范圍內平均約小20%;(2)周向伴流分數Wn普遍小于0且ηr普遍小于1,表明不管有無前置導葉,現代潛艇槳前均存在預旋流,這是艇體不對稱特別是水平穩定翼預置攻角所致;(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槳“實際”工作推、扭力負荷均小于單向度方法給出的“虛假”值,在計算范圍內,推、扭力負荷平均將分別要小11%和4%左右;(4)二向度方法應用于帶導葉潛艇模型試驗分析表明:帶導葉時的軸向伴流分數Wa與導葉攻角αg基本呈線性關系,在αg=5°～15°的范圍內,αg每增加1°,Wa增加0.01;周向伴流分數Wn絕對值大于無導葉時的Wn,表明導葉確實增加了槳前的預旋流;KL2與αg基本呈線性關系,αg每增加1°,KL2增加0.036,如果有無導葉時用同一螺旋槳,則有導葉時,螺旋槳的負荷系數將會呈線性增加;導葉攻角αg越大,CQ幾乎不變而CL則隨之減小,這表明導葉αg越大,單向度方法給出的螺旋槳軸向載荷距離實際值越遠,這對螺旋槳設計工況的準確確定具有相當重要的意義;(5)二向度方法應用于帶彈艙蓋潛艇模型試驗分析表明:與無彈艙蓋模型相比,單向度方法獲得的ηr在統計范圍內,但WT大大超出統計范圍;而二向度方法獲得的Wa比較正常,所以二向度方法對于強非軸對稱艇體或預旋流動較強的螺旋槳來流情況更加適用;Wn的絕對值在帶彈艙蓋時比較大,其量級與無彈艙蓋帶前置導葉的模型情況相同可見艇體上部的大彈艙蓋在艇尾也會產生預旋流一樣的效果,但其中的機理是相當復雜的。二向度方法獲得的這種效果在單向度方法中是無法得到的,因為有無彈艙蓋時表征周向流動不均勻的參數ηr幾乎沒有什么變化;(6)通過粗略的統計分析,發現性能參數WT、Wa、ηr和Wn與顯著性最強的艇體形狀參數LR/D大致存在一定的關系,而KL2和CL與LR/D的相關性較弱;性能參數與另外兩個顯著性弱一些的形狀參數CPR和αR有一定的相關性,但與前者相比更弱,特別是對于KL2和CL幾乎無相關性可言。4向度實效伴流分數法基于模型試驗的潛艇快速性預報包括三個部分:實艇有效功率預報;實艇自航因子預報和實艇功率、航速、轉速關系預報。本文對第一部分的改進是引入文獻提出的摩擦形狀因子概念及其計算方法,其實質是用等價回轉體的摩擦阻力代替等價平板的摩擦阻力,以便計及主艇體表面曲度的影響,使摩擦阻力預報值更加接近實際;對第二部分的改進主要是引入本文提出的二向度實效伴流分數計算方法,以取代傳統的單向度泰勒伴流分數和相對旋轉效率的獲取方法,同樣是為了使艇體/螺旋槳相互干擾作用的預報更加科學和接近實際,但尺度效應問題與傳統方法一樣處理,存在的缺陷應是今后需要專門研究的課題;對第三部分的改變實際上是前兩部分變化產生的必然結果,主要體現在實槳負荷系數,實艇推進效率,以及實槳的機械轉速預報上。基于二向度方法的實槳軸向負荷系數:在采用二向度實效伴流理論時,由于考慮周向伴流,導致軸向負荷系數的變化,隨之螺旋槳實際運行的工況就不同于一向度情況,不僅如此,推進效率的成分也將有所不同。推進效率=有效功率/槳收到功率在二向度方法中,假設Qs=Q0并考慮到周向伴流的定義1-Wns=n0/ns,可得到下式:在上述各式中,下標s、2分別代表實艇和二向度方法,由(12)式可以看出,推進效率將由推力減額系數ηt、伴流影響系數ηw、及螺旋槳敞水效率η0組成。為了便于比較,本文將基于單向度方法的傳統快速性預報程序同時列出,三個部分的預報方法同時列于表5、6、7中。5結果對比分析為了考察二向度實效伴流分數分析方法對快速性預報過程和結果的影響以及這種方法對預報不同艇型和螺旋槳載荷的適應能力,本文選取No.9A和No.4-1兩種艇型作比較計算,分別用單向度方法和本方法預報了它們的阻力、螺旋槳工作點和負荷、推進效率及其組成和主機功率及轉速。表8列出了設計航速附近兩種方法的主要預報結果差別供比較分析。從計算結果來看,我們可以得出下列結論:(1)二向度方法預報的綜合結果VS、NS、PDS與傳統方法一致,其間的微小差異主要是由計算誤差引起;(2)新方法預報結果相對于傳統方法的異同如下:(1)艇后螺旋槳實際進速系數增加,即工作點向后移動,后移百分比對于No.9和No.4-1潛艇分別為8.2%、10.8%,這是計及周向伴流和軸向伴流分數減小的作用,對螺旋槳設計點的確定有重要影響。(2)艇后螺旋槳實際推力負荷系數減小,而且這種偏差隨著推力負荷增加而增加,上述兩型潛艇的螺旋槳設計負荷偏大的百分比分別為13.5%、16.8%。(3)艇后螺旋槳實際扭矩系數減小,而且這種減小同樣隨著推力負荷的增加而增加,上述兩型潛艇螺旋槳實際所受扭力載荷減小的百分比分別為5.5%、5%,原因與(2)相同。(4)推進效率η不變,但其分量產生了如下變化;螺旋槳工作點的后移使其敞水效率η0有所提高,對于上述兩型潛艇,η0提高的百分比分別為4%、7%。(5)主機發出功率PDS和主機轉速NS不變。6發展船模快速性需要注意的問題船模自航試驗數據分析和實船航速預報是經典的船舶水動力學研究熱點。對于螺旋槳前方存在較強預旋流的許多現代船型,傳統方法會給出大得難以接受的伴流分數,因此,尋找更合理、科學的方法十分必要。本文基于二向度實效伴流理論,建立了計及周向伴流的潛艇模型自航試驗分析及相應的快速性預報方法,通過大量的應用得到如下主要結論:(1)二向度方法物理概念清楚、數值結果合理,且不增加試驗工作量,但對試驗質量控制有更高的要求;(2)二向度方法獲得的軸向伴流分數Wa約比單向度方法相應的WT小1/5,這將導致螺旋槳實際工作點J增大,從而對其設計工況的確定產生影響;(3)基于二向度方法的實船快速性預報,其最終結果與傳統方法