基于二向度實(shí)效伴流理論的艦艇快速性模型試驗(yàn)分析方法

1周向伴流的考慮盡管戰(zhàn)艦速度是戰(zhàn)艦的重要戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)，但戰(zhàn)艦速度測(cè)試通常包括船只模型的開放式試驗(yàn)、船只模型的阻力試驗(yàn)，以及與海洋體配合的船只模型的自航行試驗(yàn)。敞水試驗(yàn)和阻力試驗(yàn)處理方法比較統(tǒng)一。關(guān)于自航試驗(yàn)的處理,在水面船中,由于船型的不同導(dǎo)致船尾流場(chǎng)的變化,國內(nèi)外發(fā)展了許多不同的處理方法;近年來在潛艇前置導(dǎo)葉的研究中發(fā)現(xiàn),加裝前置導(dǎo)葉后,潛艇尾部存在一定的旋轉(zhuǎn)流動(dòng),在中國船舶科學(xué)研究中心為此進(jìn)行的流場(chǎng)試驗(yàn)中〖7]也清楚地發(fā)現(xiàn),潛艇尾部確實(shí)存在相當(dāng)?shù)闹芟蛄鲃?dòng)。對(duì)于這種情況的自航試驗(yàn)處理,傳統(tǒng)方法得到的自航因子難以接受,特別是伴流分?jǐn)?shù)很大。通過分析發(fā)現(xiàn),這很大程度上是由于沒有考慮到周向流動(dòng)的影響,為此文獻(xiàn)提出考慮潛艇的周向伴流,并將文獻(xiàn)提出的應(yīng)用于水面船的二向度伴流理論應(yīng)用于潛艇,證明了考慮潛艇周向伴流的必要性。本文從文獻(xiàn)的二向度理論出發(fā),建立了應(yīng)用于潛艇快速性自航試驗(yàn)分析的二向度方法,介紹了二向度方法系統(tǒng)應(yīng)用的情況,說明二向度方法處理的合理性,并將該方法的應(yīng)用得到的一些有意義的結(jié)論以及實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)注意的問題作了簡單介紹。潛艇快速性預(yù)報(bào)也是快速性試驗(yàn)的最終目標(biāo),本文在所建立的二向度方法的基礎(chǔ)上,引入摩擦形狀因子的概念,提出了一個(gè)新的潛艇快速性預(yù)報(bào)方法。2根據(jù)所處的狀況,設(shè)計(jì)一個(gè)1/q值,將所對(duì)應(yīng)的dna結(jié)合到整體結(jié)二向度方法所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的方法一樣,不需要在試驗(yàn)中增加數(shù)據(jù);在試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理上,與傳統(tǒng)等推力法不同的是通過假設(shè)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(zhuǎn)速。兩者的速度與轉(zhuǎn)速的差別分別用軸向伴流分?jǐn)?shù)的周向伴流分?jǐn)?shù)來表示,并分別定義如下:Wn———稱之為轉(zhuǎn)速伴流分?jǐn)?shù)或者為周向伴流分?jǐn)?shù)。由上述可知,當(dāng)知道設(shè)定槳在自航試驗(yàn)中受力的情況后,就可以從該設(shè)定槳的敞水曲線組的TD/Q曲線上找到相應(yīng)的一點(diǎn),和與之對(duì)應(yīng)的J0值,再通過n2=T/ρD4KT=Q/ρD5Kq的關(guān)系得到na的數(shù)值,進(jìn)而再得到Va的量值。確定上述伴流分?jǐn)?shù)的具體方法如下:(1)假定T0=T和Q0=Q,則相應(yīng)的TD/Q也相等,因此只要在傳統(tǒng)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(diǎn)的TD/Q作為輸入值讀敞水曲線,得到對(duì)應(yīng)的J0,Kq0,Kt0(下標(biāo)0表示敞水值),其中J0實(shí)際上代表了一只螺旋槳在艇后與敞水中發(fā)出同樣的推力和扭矩時(shí)所對(duì)應(yīng)的運(yùn)動(dòng)工況,此時(shí)有:(2)由實(shí)效周向伴流分?jǐn)?shù)定義得:由實(shí)效軸向伴流分?jǐn)?shù)定義得:(5)式和(6)式即為求得的實(shí)效軸向和周向伴流分?jǐn)?shù)。另外,筆者還對(duì)二向度與單向度方法的特點(diǎn)進(jìn)行了分析,根據(jù)兩種方法的特點(diǎn)和假設(shè),得出兩種方法的自航因子的關(guān)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(shè)計(jì)點(diǎn)J0,即螺旋槳幾何和運(yùn)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(shí)際工作點(diǎn)推、扭力負(fù)荷的差別,這種差別反映了傳統(tǒng)單向度方法不真實(shí)的程度。根據(jù)文獻(xiàn)和公式(9)、(10),我們將有無周向伴流時(shí)兩種方法獲得的螺旋槳運(yùn)動(dòng)和力特征參數(shù)的關(guān)系總結(jié)歸納在表中由表1可見,若CL、CQ已知,則單向度方法的結(jié)果WT、ηr與二向度方法的結(jié)果Wa、Wn可以互相換算;表中所列結(jié)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(jié)果之間的關(guān)系,并可用來校核試驗(yàn)結(jié)果及分析計(jì)算的正確性。3向度方法在艦隊(duì)槳前區(qū)域的影響根據(jù)已有的試驗(yàn)結(jié)果,筆者將二向度方法系統(tǒng)地應(yīng)用于大量潛艇模型快速性試驗(yàn)分析,典型結(jié)果表示在圖1和表2-4,可以看到:(1)用KT或KQ曲線計(jì)算的Wa、Wn差異極小,在使用時(shí),可任選其中一個(gè),其差別主要是由于讀數(shù)時(shí)的誤差造成的;(2)二向度方法得出的伴流分?jǐn)?shù)曲線波動(dòng)較大(圖1),對(duì)測(cè)量誤差反映靈敏,對(duì)試驗(yàn)質(zhì)量控制有更高要求;對(duì)各方案的實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn):(1)二向度方法計(jì)算得到的軸向伴流分?jǐn)?shù)Wa普遍小于單向度計(jì)算得到的WT,在計(jì)算范圍內(nèi)平均約小20%;(2)周向伴流分?jǐn)?shù)Wn普遍小于0且ηr普遍小于1,表明不管有無前置導(dǎo)葉,現(xiàn)代潛艇槳前均存在預(yù)旋流,這是艇體不對(duì)稱特別是水平穩(wěn)定翼預(yù)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(shí)際”工作推、扭力負(fù)荷均小于單向度方法給出的“虛假”值,在計(jì)算范圍內(nèi),推、扭力負(fù)荷平均將分別要小11%和4%左右;(4)二向度方法應(yīng)用于帶導(dǎo)葉潛艇模型試驗(yàn)分析表明:帶導(dǎo)葉時(shí)的軸向伴流分?jǐn)?shù)Wa與導(dǎo)葉攻角αg基本呈線性關(guān)系,在αg=5°～15°的范圍內(nèi),αg每增加1°,Wa增加0.01;周向伴流分?jǐn)?shù)Wn絕對(duì)值大于無導(dǎo)葉時(shí)的Wn,表明導(dǎo)葉確實(shí)增加了槳前的預(yù)旋流;KL2與αg基本呈線性關(guān)系,αg每增加1°,KL2增加0.036,如果有無導(dǎo)葉時(shí)用同一螺旋槳,則有導(dǎo)葉時(shí),螺旋槳的負(fù)荷系數(shù)將會(huì)呈線性增加;導(dǎo)葉攻角αg越大,CQ幾乎不變而CL則隨之減小,這表明導(dǎo)葉αg越大,單向度方法給出的螺旋槳軸向載荷距離實(shí)際值越遠(yuǎn),這對(duì)螺旋槳設(shè)計(jì)工況的準(zhǔn)確確定具有相當(dāng)重要的意義;(5)二向度方法應(yīng)用于帶彈艙蓋潛艇模型試驗(yàn)分析表明:與無彈艙蓋模型相比,單向度方法獲得的ηr在統(tǒng)計(jì)范圍內(nèi),但WT大大超出統(tǒng)計(jì)范圍;而二向度方法獲得的Wa比較正常,所以二向度方法對(duì)于強(qiáng)非軸對(duì)稱艇體或預(yù)旋流動(dòng)較強(qiáng)的螺旋槳來流情況更加適用;Wn的絕對(duì)值在帶彈艙蓋時(shí)比較大,其量級(jí)與無彈艙蓋帶前置導(dǎo)葉的模型情況相同可見艇體上部的大彈艙蓋在艇尾也會(huì)產(chǎn)生預(yù)旋流一樣的效果,但其中的機(jī)理是相當(dāng)復(fù)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?yàn)橛袩o彈艙蓋時(shí)表征周向流動(dòng)不均勻的參數(shù)ηr幾乎沒有什么變化;(6)通過粗略的統(tǒng)計(jì)分析,發(fā)現(xiàn)性能參數(shù)WT、Wa、ηr和Wn與顯著性最強(qiáng)的艇體形狀參數(shù)LR/D大致存在一定的關(guān)系,而KL2和CL與LR/D的相關(guān)性較弱;性能參數(shù)與另外兩個(gè)顯著性弱一些的形狀參數(shù)CPR和αR有一定的相關(guān)性,但與前者相比更弱,特別是對(duì)于KL2和CL幾乎無相關(guān)性可言。4向度實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)法基于模型試驗(yàn)的潛艇快速性預(yù)報(bào)包括三個(gè)部分:實(shí)艇有效功率預(yù)報(bào);實(shí)艇自航因子預(yù)報(bào)和實(shí)艇功率、航速、轉(zhuǎn)速關(guān)系預(yù)報(bào)。本文對(duì)第一部分的改進(jìn)是引入文獻(xiàn)提出的摩擦形狀因子概念及其計(jì)算方法,其實(shí)質(zhì)是用等價(jià)回轉(zhuǎn)體的摩擦阻力代替等價(jià)平板的摩擦阻力,以便計(jì)及主艇體表面曲度的影響,使摩擦阻力預(yù)報(bào)值更加接近實(shí)際;對(duì)第二部分的改進(jìn)主要是引入本文提出的二向度實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)計(jì)算方法,以取代傳統(tǒng)的單向度泰勒伴流分?jǐn)?shù)和相對(duì)旋轉(zhuǎn)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(yù)報(bào)更加科學(xué)和接近實(shí)際,但尺度效應(yīng)問題與傳統(tǒng)方法一樣處理,存在的缺陷應(yīng)是今后需要專門研究的課題;對(duì)第三部分的改變實(shí)際上是前兩部分變化產(chǎn)生的必然結(jié)果,主要體現(xiàn)在實(shí)槳負(fù)荷系數(shù),實(shí)艇推進(jìn)效率,以及實(shí)槳的機(jī)械轉(zhuǎn)速預(yù)報(bào)上。基于二向度方法的實(shí)槳軸向負(fù)荷系數(shù):在采用二向度實(shí)效伴流理論時(shí),由于考慮周向伴流,導(dǎo)致軸向負(fù)荷系數(shù)的變化,隨之螺旋槳實(shí)際運(yùn)行的工況就不同于一向度情況,不僅如此,推進(jìn)效率的成分也將有所不同。推進(jìn)效率=有效功率/槳收到功率在二向度方法中,假設(shè)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(biāo)s、2分別代表實(shí)艇和二向度方法,由(12)式可以看出,推進(jìn)效率將由推力減額系數(shù)ηt、伴流影響系數(shù)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(tǒng)快速性預(yù)報(bào)程序同時(shí)列出,三個(gè)部分的預(yù)報(bào)方法同時(shí)列于表5、6、7中。5結(jié)果對(duì)比分析為了考察二向度實(shí)效伴流分?jǐn)?shù)分析方法對(duì)快速性預(yù)報(bào)過程和結(jié)果的影響以及這種方法對(duì)預(yù)報(bào)不同艇型和螺旋槳載荷的適應(yīng)能力,本文選取No.9A和No.4-1兩種艇型作比較計(jì)算,分別用單向度方法和本方法預(yù)報(bào)了它們的阻力、螺旋槳工作點(diǎn)和負(fù)荷、推進(jìn)效率及其組成和主機(jī)功率及轉(zhuǎn)速。表8列出了設(shè)計(jì)航速附近兩種方法的主要預(yù)報(bào)結(jié)果差別供比較分析。從計(jì)算結(jié)果來看,我們可以得出下列結(jié)論:(1)二向度方法預(yù)報(bào)的綜合結(jié)果VS、NS、PDS與傳統(tǒng)方法一致,其間的微小差異主要是由計(jì)算誤差引起;(2)新方法預(yù)報(bào)結(jié)果相對(duì)于傳統(tǒng)方法的異同如下:(1)艇后螺旋槳實(shí)際進(jìn)速系數(shù)增加,即工作點(diǎn)向后移動(dòng),后移百分比對(duì)于No.9和No.4-1潛艇分別為8.2%、10.8%,這是計(jì)及周向伴流和軸向伴流分?jǐn)?shù)減小的作用,對(duì)螺旋槳設(shè)計(jì)點(diǎn)的確定有重要影響。(2)艇后螺旋槳實(shí)際推力負(fù)荷系數(shù)減小,而且這種偏差隨著推力負(fù)荷增加而增加,上述兩型潛艇的螺旋槳設(shè)計(jì)負(fù)荷偏大的百分比分別為13.5%、16.8%。(3)艇后螺旋槳實(shí)際扭矩系數(shù)減小,而且這種減小同樣隨著推力負(fù)荷的增加而增加,上述兩型潛艇螺旋槳實(shí)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(jìn)效率η不變,但其分量產(chǎn)生了如下變化;螺旋槳工作點(diǎn)的后移使其敞水效率η0有所提高,對(duì)于上述兩型潛艇,η0提高的百分比分別為4%、7%。(5)主機(jī)發(fā)出功率PDS和主機(jī)轉(zhuǎn)速NS不變。6發(fā)展船模快速性需要注意的問題船模自航試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析和實(shí)船航速預(yù)報(bào)是經(jīng)典的船舶水動(dòng)力學(xué)研究熱點(diǎn)。對(duì)于螺旋槳前方存在較強(qiáng)預(yù)旋流的許多現(xiàn)代船型,傳統(tǒng)方法會(huì)給出大得難以接受的伴流分?jǐn)?shù),因此,尋找更合理、科學(xué)的方法十分必要。本文基于二向度實(shí)效伴流理論,建立了計(jì)及周向伴流的潛艇模型自航試驗(yàn)分析及相應(yīng)的快速性預(yù)報(bào)方法,通過大量的應(yīng)用得到如下主要結(jié)論:(1)二向度方法物理概念清楚、數(shù)值結(jié)果合理,且不增加試驗(yàn)工作量,但對(duì)試驗(yàn)質(zhì)量控制有更高的要求;(2)二向度方法獲得的軸向伴流分?jǐn)?shù)Wa約比單向度方法相應(yīng)的WT小1/5,這將導(dǎo)致螺旋槳實(shí)際工作點(diǎn)J增大,從而對(duì)其設(shè)計(jì)工況的確定產(chǎn)生影響;(3)基于二向度方法的實(shí)船快速性預(yù)報(bào),其最終結(jié)果與傳統(tǒng)方法