舵球几何参数对螺旋桨水动力性能的影响

螺旋桨水动力学性能分析与优化设计螺旋桨是水上船只中最重要的推进装置，其性能直接关系到船舶的推进效率和航行速度。

螺旋桨水动力学性能分析与优化设计是船舶研究领域中的重要分支，对于减少能源消耗、提高运输效率、降低污染排放具有重要作用。

一、螺旋桨水动力学性能分析的基础理论1.1 计算流体力学计算流体力学（CFD）是一种通过数字计算方法来解决流体力学问题的数学模型。

在螺旋桨被设计和研究时，CFD成为了一种重要的工具。

其模型基于Navier-Stokes方程和欧拉方程，模拟了流场和流动的变化，从而分析了流体运动的影响和经济性能的评估。

1.2 螺旋桨理论螺旋桨的理论基础是流体力学中的速度势流和双曲型等势流。

速度势流指的是在流体中的一个点上速度向量可以分解为势函数的梯度，而双曲型等势流涉及到一个坐标系中，速度的散度和旋度是相等的。

1.3 失速失速指的是在较小的流速下，螺旋桨进入了抵抗气蚀和附面效应的状态。

能够有效地分析并求出失速将对设计螺旋桨的截面和轴设置具有重要意义。

二、螺旋桨水动力学性能分析的关键参数2.1 推力和速度推力和速度是螺旋桨水动力学性能分析中的两个关键参数。

推力是螺旋桨提供给船体的推进力，影响到船舶的加速度和航行速度。

速度可以用来计算泥和水的扰动实体质量。

2.2 轮廓设计螺旋桨轮廓设计对其性能影响非常大，包括叶片的数量、截面形状和翼型等。

良好的轮廓设计能够提高螺旋桨的效率，减小水动力噪音，提高抵抗力和附面效应。

2.3 旋转速度旋转速度是螺旋桨的打动驱动力，影响了传动效率和螺旋桨效率。

高速旋转通常会导致较大的失速和流量噪音，而低速旋转也可能会导致螺旋桨产生过多垂直力。

2.4 推力系数推力系数是推力与密度、直径、旋转速度和旋转等效面积的关系。

推力系数是成尺寸和旋转速度的一种无因次数，用于描述螺旋桨的推进效率。

三、螺旋桨水动力学性能优化的方法3.1 优化设计算法优化设计算法是一种通过数学模型和计算机程序来找到最优解的方法。

螺旋桨四象限水动力性能数值模拟及应用螺旋桨是船舶的重要配件，其四象限水动力性能的数值模拟与应用对于船舶设计和性能的优化都具有重要意义。

本文将探讨螺旋桨四象限水动力性能数值模拟的方法及其应用。

首先，螺旋桨四象限水动力性能主要包括推力、扭矩、速度和效率四个方面。

利用数值模拟技术进行四象限水动力性能计算，可以提高其精度和可靠性，以实现优化设计。

在数值模拟中，应用计算流体力学（CFD）和离散元素方法（DEM）等技术，对螺旋桨与水域相互作用的流场进行分析和计算，从而得到推力、扭矩、速度和效率等参数。

其次，螺旋桨四象限水动力性能数值模拟的应用广泛。

首先，在螺旋桨设计中，可以利用数值模拟技术进行多种参数的变化测试，并找到最优设计方案。

其次，针对不同船型和船速，在螺旋桨选择和优化中，也可以用数值模拟的方法进行计算和比较。

此外，在船舶性能评估与优化中，螺旋桨四象限水动力性能参数是重要的评价指标，可以对螺旋桨和船舶的性能进行综合评估和优化。

总之，螺旋桨四象限水动力性能数值模拟是船舶设计与性能优化的重要手段之一。

其精度和可靠性对于船舶的性能影响至关重要。

未来，在数值模拟技术的不断提高和发展下，螺旋桨四象限水动力性能的数值模拟将会越来越重要，其应用范围也将更加广泛。

为了进行螺旋桨四象限水动力性能数值模拟和应用的研究，需要收集、整理和分析相关的数据。

数据的来源可以包括实验室试验、模拟计算等多种途径。

下面列举一些可能用到的数据类型：1.螺旋桨几何参数：包括叶片数、直径、螺距、叶片参数等。

2.流体参数：包括水的密度、粘度、温度和速度等参数。

3.四象限水动力性能参数：包括推力、扭矩、速度和效率等参数。

4.船舶参数：包括船型、排水量、速度等参数。

5.试验数据：针对具体螺旋桨、船舶排水量和速度进行的物理试验数据。

针对这些数据，可以进行各种方式的分析。

首先，在螺旋桨几何参数分析方面，可以分析不同螺距、叶片参数对于四象限水动力性能的影响，找到最优参数组合及其区域。

空间导叶几何参数对螺旋混流式喷水推进泵性能的影响舰艇动力系统是各个海洋强国研究的重中之重。

近些年,喷水推进泵的研究和应用取得了长足的发展。

本文分析了当前世界各国对喷水推进泵的研究现状,设计了一种新型的喷水推进泵—螺旋混流式喷水推进泵。

基于已有的潜航器模型,通过数值计算得出无限流域下潜航器在推进速度v=2m/s时的阻力,并根据已有的喷水推进理论确定了喷水推进泵的流量和扬程。

然后,参照螺旋离心泵的设计方法进行了喷水推进泵的水力设计。

选取RNG k-ε湍流模型,对喷水推进泵的性能进行了验证。

随后,针对空间导叶水力损失较大的问题,研究导叶几何参数包括导叶叶片数、叶片进口安放角、叶片包角对螺旋混流式喷水推进泵性能和内部流动的影响,在此基础上得到水力性能最好的空间导叶的几何参数范围。

相关的结论如下:1)泵外特性、内流及压力脉动分析所设计的推进泵满足要求,但0.5Q时,输入功率较大是因为叶轮流道内流体对叶轮壁面的碰撞导致扭矩增大;导叶流道内的流动随流量增大趋于均匀;设计工况下,推进泵流道内各个监测点压力脉动主频均在一倍叶频处;沿导叶流道压力脉动幅值先减小后增大。

2)导叶叶片数对推进泵性能的影响导叶和喷管流域的总水力损失和叶片数呈负相关;导叶叶片数大于5时,推进泵外特性不再发生变化;叶片数为9时,叶片出口处环量的绝对值最小,导叶整流效果最好。

3)导叶进口安放角对推进泵性能的影响导叶叶片进口安放角对内部流动影响显著。

随着进口安放角的增大,叶轮和导叶交接处漩涡区面积增大;湍动能较高的区域先增大后减小,且位置由叶片进口处背面逐渐向导叶叶片出口迁移。

进口安放角为25°和40°时导叶出口环量绝对值最小,整流效果最好;进口安放角为30°-35°时,导叶和喷管流域水力损失最小;进口安放角为35°时,动静交接处、导叶进口监测点压力脉动幅值最小。

4)导叶叶片包角对推进泵性能的影响推进泵扬程和效率与包角呈正相关;导叶、喷管流域的水力损失和包角呈负相关。

螺旋桨桨叶参数与性能的关系螺旋桨设计时，涉及到多种参数，它们分别表达着设计要求的不同方向，例如伴流分数与推力减额分数，表达了船舶与螺旋桨之间的相互影响，而空泡数则是桨叶空泡性能的量化指标。

主要介绍直径、螺距、弦长、纵倾、侧斜等参数对螺旋桨推力、效率、空泡、振动、噪声等性能的影响。

螺旋桨的直径螺旋桨在原地旋转时，叶梢的轨迹称为稍圆，其直径即为螺旋桨直径，以D表示。

螺旋桨初步设计中，首先对直径与转速选定其一，然后通过图谱法确定另一参数的最佳值。

环流理论设计法中，直径是根据设计经验或船型指定的。

一般来说，螺旋桨的直径越大，转速越低，效率越高，但直径过大时，桨叶盘面处的平均伴流减小，导致船身效率下降，可能会降低总的推进效率。

另外，螺旋桨直径的选择须考虑船舶吃水及船舶尾框间隙的限制，对于经常压载航行的船舶，较小的直径可以照顾压载时的效率及避免叶梢露出水面；从振动方面考虑，螺旋桨与船体间的间隙不宜过小，否则可能引起船体尾部结构的振动。

螺距分布取某半径处与螺旋桨共轴的圆柱面剖分桨叶，截得桨叶剖面，将该叶剖面的鼻尾线延长，环绕轴线一周，其两端点的轴向距离即是桨叶子啊该半剖面的螺距，以P表示，螺距P与螺旋桨直径D之比P/D称为螺距比。

将共轴圆柱面与翼型剖面一起展开，鼻尾线与底线之间的夹角称为螺距角，螺距角的大小表示桨叶在相应半剖面的倾斜程度，桨叶的负荷主要通过螺距分布的设计沿桨叶径向进行布置。

螺旋桨设计时，螺距分布的选取很大程度上决定着桨叶的负荷及负荷分布；设计工况一定时，螺距分布决定着桨叶剖面的工作状态以及工况点在桨叶空炮斗中的位置；环流理论设计方法通过在不同半径叶剖面上选取不同的螺距以适应船尾伴流饿不均匀性。

在图谱法及环流理论设计方法中，螺距都是最重要的设计变量。

螺距分布对桨叶推力、效率、空泡、振动及噪声都有着重要的影响。

由螺旋桨环流理论可以知道，螺旋桨负荷径向分布的最大值位置越是偏向叶梢，桨叶的效率越高，但叶梢处的空泡性能会变得很差。

直尾舵的水动力性能分析研究直尾舵是一种普遍用于舰船操纵的舵，其水动力性能对于船舶的操纵和节能具有重要意义。

本文通过分析直尾舵在不同流速下的水动力性能，探讨了其对船舶操纵的影响，并讨论了如何优化直尾舵的设计。

首先，我们需要了解直尾舵的结构特点。

直尾舵通常由舵叶和舵柄组成，舵叶是影响水动力性能的主要部件。

直尾舵叶的几何形状和切割方式将影响通量系数、流阻系数和升力系数等水动力性能参数。

在直尾舵叶的水动力性能中，通量系数是一个关键参数，它反映了舵叶的水动力性能和操纵性能。

不同的流速和几何形状对于通量系数有不同的影响。

在低速下，直尾舵具有较高的通量系数，使得船舶的操纵相对容易。

但是在高速航行时，直尾舵的通量系数会降低，导致操纵性能下降。

此外，直尾舵的几何形状也会影响水动力性能。

一些研究表明，将舵叶的前缘偏出水面可以提高通量系数和升力系数，从而提升操纵和节能性能。

但是这种设计需要考虑直尾舵受到水流冲击和波浪的影响，可能会导致部分水流在舵叶的前缘处分离，产生湍流和振动。

在优化直尾舵设计时，我们需要考虑多个因素，如船舶的操纵需求、舵叶的几何形状和材料、流体力学参数等。

一些研究表明，使用对称式舵叶可以提高舵叶的通量系数和升力系数，从而提升操纵性能。

同时，使用低阻力材料制作舵叶可以降低流阻系数，节约能源。

此外，通过模拟流场，可以进一步优化直尾舵叶的几何形状和角度，从而实现更好的操纵和节能性能。

综上所述，直尾舵的水动力性能对于船舶的操纵和节能具有重要意义。

在设计和优化直尾舵时，需要考虑多个因素，如舵叶的几何形状、材料、流体力学参数等。

通过实验和数值模拟等手段，可以进一步研究直尾舵的水动力性能，并优化其设计，为船舶操纵和节能提供更好的性能表现。

我们以一款8000吨级散货船为例，分析直尾舵的水动力性能。

该船船长168米，型宽22.8米，型深11.3米，设计吃水7.8米，最大航速为14.5节。

直尾舵的类型为对称式舵叶，舵叶面积为19平方米，舵柄长为5米，采用了低阻力材料制作。

尾舵几何参数
摘要：
1.尾舵的定义与作用
2.尾舵的几何参数
3.尾舵几何参数对飞行器性能的影响
4.尾舵几何参数的设计与优化
5.结论
正文：
1.尾舵的定义与作用
尾舵，又称方向舵，是安装在飞行器尾部的一种航空器控制装置。

它的主要作用是控制飞行器的方向，即改变飞行器的航向。

尾舵通过改变其角度和形状，可以产生方向力矩，从而控制飞行器的旋转。

2.尾舵的几何参数
尾舵的几何参数主要包括以下几个方面：
（1）尾舵面积：尾舵面积决定了其产生的升力和阻力的大小，对飞行器的转向性能有直接影响。

（2）尾舵安装角：尾舵安装角是指尾舵与飞行器机身的夹角，其大小影响尾舵产生的方向力矩。

（3）尾舵后缘形状：尾舵后缘形状会影响尾舵产生的升力和阻力，进而影响飞行器的转向性能。

3.尾舵几何参数对飞行器性能的影响
尾舵几何参数对飞行器性能的影响主要体现在以下几个方面：
（1）稳定性：尾舵几何参数的改变会影响飞行器的稳定性，进而影响飞行器的飞行性能。

（2）操纵性：尾舵几何参数的改变会直接影响飞行器的操纵性，改变飞行器的转向性能。

（3）飞行效率：尾舵几何参数的改变会影响飞行器的飞行效率，影响飞行器的燃油消耗。

4.尾舵几何参数的设计与优化
尾舵几何参数的设计与优化需要考虑以下几个因素：
（1）飞行器的性能需求：根据飞行器的性能需求，确定尾舵几何参数的设计目标。

（2）飞行环境：考虑飞行环境，如空气密度、风速等，对尾舵几何参数进行设计。

（3）材料和工艺：考虑材料和工艺的限制，对尾舵几何参数进行优化。

不同舵速对船舶回转性能影响理论与试验分析王五桂【摘要】为分析不同舵速对船舶回转性能的影响,采用理论仿真和模型试验相结合的方法,基于流体力学和船舶操纵性基本理论,建立三自由船舶运动模型,对模型进行仿真验证.通过构建自航模试验系统,进行不同舵速下的自航模试验,理论与试验结果表明:不同舵速对战术直径、定常回转直径和横距无明显影响,但对纵距影响较明显.【期刊名称】《船电技术》【年(卷),期】2016(036)007【总页数】4页(P1-4)【关键词】舵速;回转性能;数值仿真;自航模试验【作者】王五桂【作者单位】中国舰船研究设计中心,武汉 430064【正文语种】中文【中图分类】U675.9船舶回转性能与避让、靠离泊、灵活掉头等操纵密切相关，在船舶设计的不同阶段研究船舶回转性能都具有重要的意义［1］。

舵是船舶不可缺少的控制装置，用以船舶的航向保持与转向操纵［2］。

文献［3］针对传统舵机舵速响应较慢的情况下，提出一种适应于航向控制低速舵机的舵/ 鳍联合减摇方法，达到了无需对已有舵机进行改造或更换便可实现横摇减摇的目的。

文献［4］从减振降噪的角度，提出一种低舵速操舵控制技术，并通过数字仿真，验证了此种操舵控制技术的可行性和有效性。

文献［5］通过仿真研究探讨了通过提高船的转舵速度来提高船的操纵性能的可行性。

本文采用理论仿真和模型试验相结合的手段，分析不同舵速对船舶回转性能的影响。

理论分析基于流体力学和船舶操纵性基本理论和方法，建立三自由船舶运动模型，通过理论分析和数值计算等方法，获取相关水动力系数，在此基础上进行不同舵速对船舶回转性能的仿真研究。

同时，设计自航模试验系统，开展模型试验研究，进行不同舵速对船舶回转性能的试验研究。

通过对理论仿真结果和模型试验结果进行分析，总结不同舵速对船舶回转运动性能的影响规律。

根据MMG分离建模的思想，运动坐标系的坐标原点取在船舶重心处，假定运动坐标轴为惯性主轴，将作用于运动船舶上的力分解为船体力、螺旋桨力、舵力，建立的船舶三自由度运动数学模型为［6］其中：m表示船体质量，zz分别表示船舶的附加质量和惯性矩，［X，Y，Y］表示船舶所受的纵向力、横向力及力矩，u、v分别为航速在船舶运动坐标系的投影，r为船舶角速度在运动坐标系的投影。

第三章螺旋桨基础理论及水动力特性关于使用螺旋桨作为船舶推进器的思想很早就已确立，各国发明家先后提出过很多螺旋推进器的设计。

在长期的实践过程中，螺旋桨的形状不断改善。

自十九世纪后期，各国科学家与工程师提出多种关于推进器的理论，早期的推进器理论大致可分为两派。

其中一派认为：螺旋桨之推力乃因其工作时使水产生动量变化所致，所以可通过水之动量变更率来计算推力，此类理论可称为动量理论。

另一派则注重螺旋桨每一叶元体所受之力，据以计算整个螺旋桨的推力和转矩，此类理论可称为叶元体理论。

它们彼此不相关联，又各能自圆其说，对于解释螺旋桨性能各有其便利处，然亦各有其缺点。

其后，流体力学中的机翼理论应用于螺旋桨，解释叶元体的受力与水之速度变更关系，将上述两派理论联系起来而发展成螺旋桨环流理论。

从环流理论模型的建立至今已有六十多年的历史，在不断发展的基础上已日趋完善。

尤其近二十年来，由于电子计算机的发展和应用，使繁复的理论计算得以实现，并促使其不断完善。

虽然动量理论中忽略的因素过多，所得到的结果与实际情况有一定距离，但这个理论能简略地说明推进器产生推力的原因，某些结论有一定的实际意义，故在本章中先对此种理论作必要介绍，再用螺旋桨环流理论的观点分析作用在桨叶上的力和力矩，并阐明螺旋桨工作的水动力特性。

至于对环流理论的进一步探讨，将在第十二章中再行介绍。

§3-1 理想推进器理论一、理想推进器的概念和力学模型推进器一般都是依靠拨水向后来产生推力的，而水流受到推进器的作用获得与推力方向相反的附加速度(通常称为诱导速度)。

显然推进器的作用力与其所形成的水流情况密切有关。

因而我们可以应用流体力学中的动量定理，研究推进器所形成的流动图案来求得它的水动力性能。

为了使问题简单起见，假定：（1）推进器为一轴向尺度趋于零，水可自由通过的盘，此盘可以拨水向后称为鼓动盘(具有吸收外来功率并推水向后的功能)。

（2）水流速度和压力在盘面上均匀分布。

基金项目：国家自然基金(11172241) 收稿日期： 2014-01-06 修回日期：2014-08-03 第一作者简介：袁绪龙，男，1977年生，西北工业大学，副教授；研究方向——水动力学、总体技术。

通讯作者：朱珠，E-mail: ***************应 用 力 学 学 报 CHINESE JOURNAL OF APPLIED MECHANICS第32卷 第1期2015年2月V ol.32 No.1Feb. 2015文章编号：1000- 4939(2015) 01-0011-06预置舵角对高速入水弹道和流体动力的影响袁绪龙1 朱珠2(1 西北工业大学航海学院 710072 西安；2 中国船舶重工集团公司第713研究所 450015 郑州)摘要：为了实现导弹以反复入水方式进行末段突防，需要形成向上弯曲的弹道，考虑采用预置舵角的方法迫使弹体在超空泡流动条件下作抬头转动，依靠攻角产生的尾部滑行力提供转平所需的法向过载。

本文研究了具有细长前锥段外形的超空泡导弹在高速入水时弹道和流体动力的情况。

利用动网格技术控制弹体以及整个计算区域的运动，采用Mixture 方法描述气-液界面的运动变化；通过流场-弹道耦合方法，分析了通气条件下，0°～30°范围内不同预置舵角下入水弹道与流体动力的变化规律。

研究结果表明，预置舵角可以控制弹道转平，且预置舵角越大弹道越容易转平。

关键词：高速入水；预置舵角；通气；弹道；流场-弹道耦合中图分类号：TJ630 文献标识码：A DOI ：10.11776/cjam.32.01.A0011 引 言随着现代舰船防御技术的发展，巡航导弹的作战效能面临巨大的压力，迫切需要发展新型高效突防技术。

本文在超空泡理论研究的基础上，研究了一种反复入水末段突防弹道。

反复入水飞行器的特点体现在其必须跨越水、气两种介质的交界面，会产生近水面效应、出水空泡、入水抨击、入水空泡等复杂的水气动现象；同时受到自由面波动的影响，使跨介质航行器具有复杂的非定常、非线性流体动力特性，可承受巨大的冲击载荷和水动力弯矩。