[发明专利]一种舵型为NACA0018的选型方法

说明书

技术领域

本发明属于船舶领域，具体涉及一种舵型为NACA0018的选型方法。

背景技术

船舶操纵性是船舶航行的重要性能之一，与船舶的安全性、经济性等都有着密不可分的关系，船舶的操纵性能是靠配备专门的操纵装置来实现的。舵和舵机是船舶的主要操纵设备。舵机的性能直接影响到船舶的安全航行。最近连续出现了几起船舶由于舵机失灵而造成船舶冲撞大桥、搁浅、自身翻沉等事故，因此研究舵机失效的原因、研究舵机选型新方法、制定舵机失效应急方案对船舶航行安全起着至关重要的作用。舵的水动力性能参数是舵机选型的重要依据，也是操纵性能计算不可或缺的资料。

舵按固定方式分为舵踵支撑舵、半悬挂舵及悬挂舵。其中半悬挂半平衡舵常用于高速集装箱船、油船及货船。

随着计算机技术的不断提高和流体力学计算数学理论的迅速发展完善，计算流体力学数值方法在船舶水动力性能理论研究领域得到广泛应用。目前，大量文献表明CFD方法在船用舵水动力性能计算中有较高的可靠性。Shin、Hyochul利用CFD方法从减少舵面空泡的角度对襟翼舵进行模拟计算；吴宝山、潘子英等利用计算流体力学方法，模拟计算了潜艇组合尾舵的二维剖面水动力性能，并通过结果分析得到了在舵角比较小时，潜艇组合尾舵的水动力特征并不是线性的；周广礼，董文才，姚朝帮利用FLUENT软件对半悬挂舵敞水水动力性能进行了数值模拟。林俊兴、马玉成利用计算流体动力学软件CFX方法对潜艇组合

本发明的研究对象为一带整流帽(舵球)的半悬挂舵。早在八十年代初，日本川崎重工的科研人员在船模试验观察螺旋桨后水流流场时发现，螺旋桨后中心部位水流相当紊乱，出现了一些漩涡，为了减少部分能量损失，最简单的方法是加长螺旋桨毂帽，使桨毂长度超过螺旋桨直径的一半，便可达到十分理想的整流效果。但这一措施实际上行不通，因为这样一来，舵远离螺旋桨尾流，舵效大打折扣，对船舶操纵性带来不利影响。经过多次试验，川崎重工发现只要在舵上正对螺旋桨桨毂处加装一流线型回转体，简称之为RBS舵球，其靠近螺旋桨的头部接近半球体。

发明内容

发明目的：为了解决现有技术的不足，本发明提供了一种舵型为NACA0018的选型方法。

技术方案：一种舵型为NACA0018的选型方法，包括如下步骤：

(1)利用FLUENT软件计算出舵叶的舵力和对舵杆的扭矩：

在FLUENT软件平台上，先利用前处理器GAMBIT建立若干个处于不同舵角下的舵计算模型，然后在后处理器FLUENT里对各个计算模型进行舵水动力性能计算，得出不同舵角下的舵受力情况，并与通过展弦比换算后的试验数据进行对比，验证数值计算方法在舵水动力计算中的可行性和准确性；

(2)带整流帽的半悬挂舵敞水水动力性能数值计算分析：

本发明采用的舵型为NACA0018，展弦比为1.65，计算时，将舵和挂舵臂看 成一整体；最后将计算结果与船舶原理书中根据普兰特(Prandtl)公式换算结果进行比对；

a.控制方程：采用不可压缩粘性流体的RANS方程作为求解舵的三维粘性流场的基本方程，写成如下形式：

式中：u_i、u_j为时均速度分量，u_i'、u_j'为脉动速度分量；

b.对于舵水动力计算采用RNG K-ε湍流模型,湍流动能k方程形式如下：

湍流能量耗散率ε方程为：

式中：μ_t为湍动粘性系数，P_K为湍动生成项，常数分别为：σ_k＝1.39，σ_ε＝1.39，C_ε1＝1.42，C_ε2＝1.68；

c.数值方法：

采用有限体积法离散方程，压力项采用标准的离散格式进行离散，动量方程、湍流动能方程及耗散方程均采用二阶迎风格式进行离散，压力速度耦合迭代采用SIMPLEC算法，整个流域采用非结构网格，在近舵表面区域加密网格；

d.数学模型选取；

e.边界条件设置；

本发明计算域大小为长x宽x高：15Lx8Lx12L，其中L为弦长，边界包括入口、出口、壁面和外场，设置如下：

1.速度入口：入口距离舵模前缘四倍弦长，速度大小为7.2m/s，在计算时方向为垂直入口边界；

2.压力出口：出口距离舵模后缘十倍弦长，压力为未扰动时边界压力；