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

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(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(tǒng)一。關(guān)于自航試驗的處理,在水面船中,由于船型的不同導(dǎo)致船尾流場的變化,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,在中國船舶科學(xué)研究中心為此進(jìn)行的流場試驗中〖7]也清楚地發(fā)現(xiàn),潛艇尾部確實存在相當(dāng)?shù)闹芟蛄鲃印τ谶@種情況的自航試驗處理,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)報也是快速性試驗的最終目標(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,提出了一個新的潛艇快速性預(yù)報方法。2根據(jù)所處的狀況,設(shè)計一個1/q值,將所對應(yīng)的dna結(jié)合到整體結(jié)二向度方法所需的試驗數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的方法一樣,不需要在試驗中增加數(shù)據(jù);在試驗數(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,和與之對應(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,以自航點的TD/Q作為輸入值讀敞水曲線,得到對應(yīng)的J0,Kq0,Kt0(下標(biāo)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(fā)出同樣的推力和扭矩時所對應(yīng)的運動工況,此時有:(2)由實效周向伴流分?jǐn)?shù)定義得:由實效軸向伴流分?jǐn)?shù)定義得:(5)式和(6)式即為求得的實效軸向和周向伴流分?jǐn)?shù)。另外,筆者還對二向度與單向度方法的特點進(jìn)行了分析,根據(jù)兩種方法的特點和假設(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(fù)荷的差別,這種差別反映了傳統(tǒng)單向度方法不真實的程度。根據(jù)文獻(xiàn)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(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,并可用來校核試驗結(jié)果及分析計算的正確性。3向度方法在艦隊槳前區(qū)域的影響根據(jù)已有的試驗結(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(shù)時的誤差造成的;(2)二向度方法得出的伴流分?jǐn)?shù)曲線波動較大(圖1),對測量誤差反映靈敏,對試驗質(zhì)量控制有更高要求;對各方案的實效伴流分?jǐn)?shù)計算結(jié)果進(jìn)行比較分析,發(fā)現(xiàn):(1)二向度方法計算得到的軸向伴流分?jǐn)?shù)Wa普遍小于單向度計算得到的WT,在計算范圍內(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)葉潛艇模型試驗分析表明:帶導(dǎo)葉時的軸向伴流分?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絕對值大于無導(dǎo)葉時的Wn,表明導(dǎo)葉確實增加了槳前的預(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)葉時用同一螺旋槳,則有導(dǎo)葉時,螺旋槳的負(fù)荷系數(shù)將會呈線性增加;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際值越遠(yuǎn),這對螺旋槳設(shè)計工況的準(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)計范圍內(nèi),但WT大大超出統(tǒng)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(yù)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(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產(chǎn)生預(yù)旋流一樣的效果,但其中的機理是相當(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,因為有無彈艙蓋時表征周向流動不均勻的參數(shù)ηr幾乎沒有什么變化;(6)通過粗略的統(tǒng)計分析,發(fā)現(xiàn)性能參數(shù)WT、Wa、ηr和Wn與顯著性最強的艇體形狀參數(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,特別是對于KL2和CL幾乎無相關(guān)性可言。4向度實效伴流分?jǐn)?shù)法基于模型試驗的潛艇快速性預(yù)報包括三個部分:實艇有效功率預(yù)報;實艇自航因子預(yù)報和實艇功率、航速、轉(zhuǎn)速關(guān)系預(yù)報。本文對第一部分的改進(jìn)是引入文獻(xiàn)提出的摩擦形狀因子概念及其計算方法,其實質(zhì)是用等價回轉(zhuǎn)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(yù)報值更加接近實際;對第二部分的改進(jìn)主要是引入本文提出的二向度實效伴流分?jǐn)?shù)計算方法,以取代傳統(tǒng)的單向度泰勒伴流分?jǐn)?shù)和相對旋轉(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)報更加科學(xué)和接近實際,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;對第三部分的改變實際上是前兩部分變化產(chǎn)生的必然結(jié)果,主要體現(xiàn)在實槳負(fù)荷系數(shù),實艇推進(jìn)效率,以及實槳的機械轉(zhuǎn)速預(yù)報上?；诙蚨确椒ǖ膶崢S向負(fù)荷系數(shù):在采用二向度實效伴流理論時,由于考慮周向伴流,導(dǎo)致軸向負(fù)荷系數(shù)的變化,隨之螺旋槳實際運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)報程序同時列出,三個部分的預(yù)報方法同時列于表5、6、7中。5結(jié)果對比分析為了考察二向度實效伴流分?jǐn)?shù)分析方法對快速性預(yù)報過程和結(jié)果的影響以及這種方法對預(yù)報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算,分別用單向度方法和本方法預(yù)報了它們的阻力、螺旋槳工作點和負(fù)荷、推進(jìn)效率及其組成和主機功率及轉(zhuǎn)速。表8列出了設(shè)計航速附近兩種方法的主要預(yù)報結(jié)果差別供比較分析。從計算結(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算誤差引起;(2)新方法預(yù)報結(jié)果相對于傳統(tǒng)方法的異同如下:(1)艇后螺旋槳實際進(jìn)速系數(shù)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?jǐn)?shù)減小的作用,對螺旋槳設(shè)計點的確定有重要影響。(2)艇后螺旋槳實際推力負(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)計負(fù)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(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(fā)出功率PDS和主機轉(zhuǎn)速NS不變。6發(fā)展船?？焖傩孕枰⒁獾膯栴}船模自航試驗數(shù)據(jù)分析和實船航速預(yù)報是經(jīng)典的船舶水動力學(xué)研究熱點。對于螺旋槳前方存在較強預(yù)旋流的許多現(xiàn)代船型,傳統(tǒng)方法會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(yīng)的快速性預(yù)報方法,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,且不增加試驗工作量,但對試驗質(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)致螺旋槳實際工作點J增大,從而對其設(shè)計工況的確定產(chǎn)生影響;(3)基于二向度方法的實船快速性預(yù)報,其最終結(jié)果與傳統(tǒng)方法