﻿ 基于CFD技术的舵叶翼型选用分析
 舰船科学技术  2021, Vol. 43 Issue (11): 57-62    DOI: 10.3404/j.issn.1672-7649.2021.11.010 PDF

Analysis of rudder airfoil selection based on CFD technology
GENG Guo-xiang, Hu Yi, DONG You-fan, WANG Fan, HE Jin-shuai
Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China
Abstract: The rudder selection was determined by empirical formula and data of model ship, which has some limitations. In order to optimize the rudder selection process, taking Exploration cruise ship as an example, based on RANS equation and SST k - ω turbulence model by CFD software to simulate the NACA airfoil and the high-efficiency airfoil. The lift coefficient and drag coefficient are obtained at different angles of attack. For airfoils with different section types and thickness ratios, the hydrodynamic performance is analyzed with velocity vector and pressure cloud diagram, compared with theoretical calculation data and ship data. The result shows that different airfoil thickness has different lift-drag ratio characteristics in whole rudder angles. Increasing airfoil thickness is beneficial to broaden the range of lift-drag ratio. Although the steerage of high-efficiency airfoil is increased by 40%, the influence of drag on its rapidity can’t be ignored. The increase of surface pressure caused by vortex has a negative impact on its strength. The results are helpful to understand the hydrodynamic performance of the rudder with different sections, and provide a reference for the selection and design of rudder airfoil.
Key words: CFD     profile airfoil     hydrodynamic characteristics     numerical simulation
0 引　言

1 数学模型 1.1 控制方程

1.2 湍流模型

SST k-ω模型是由Menter提出并推广的，该模型的特点是对近壁面和边界层的流动采用不同的处理方式。李锦林[8]对敞水舵分别采用SST k-ω模型和RNGk-ω模型进行水动力仿真，并与泰勒水池实验进行对比，结果证明SST k-ω模型在水动力数值仿真结果方面相比与RNGk-ω模型有更高的精度。本文的湍流模型也采用SST k-ω模型，用CFD模拟计算的过程中，假设水为不可压缩流体且在操舵时船舶方向与航速未发生变化，并忽略水流流过舵叶时的热量交换。

1.3 数值方法

2 水动力计算理论 2.1 舵叶在流场中的受力

 $\text{升力系数 }\;{C_1} = \frac{{2{P_l}}}{{\rho {V^2}{A_R}}} {\text{，}}$ (1)
 $\text{阻力系数}\;{C_d} = \frac{{2{P_d}}}{{\rho {V^2}{A_R}}} {\text{，}}$ (2)
 $\text{法向力系数} \;{C_n} = \frac{{2{P_n}}}{{\rho {V^2}{A_R}}} {\text{。}}$ (3)

2.2 传统水动力计算方法

1）经验公式法

 $\text{法向力}\;{P_n} = K\frac{{9.81\sin \alpha }}{{0.2 + 0.3\sin \alpha }}{A_R}{V^2} {\text{，}}$ (4)
 $\text{压力中心}\;e = \left( {0.2 + 0.3\sin \alpha } \right)b {\text{，}}$ (5)
 $\text{扭矩} \;M = {P_n}e {\text{。}}$ (6)

2）模型试验换算法

3 不同翼型在CFD中的数值仿真

3.1 矩形舵水动力性能仿真

 图 1 矩形舵计算域示意图 Fig. 1 Schematic diagram of rectangular rudder calculation domain

1）如图2图5所示，随着舵角的增大，背流面处的水流与叶面逐渐分离，NACA0018翼型在35°舵角时尾部已经产生涡流，随着舵角变大涡流半径也逐渐变大，而NACA0020翼型在35°舵角时并未产生涡流，说明相对厚度较大的翼型，产生尾部涡流的舵角较大，涡流分布范围较小，大舵角对升力的影响越小。

 图 2 NACA0018翼型在30°时的速度矢量图 Fig. 2 Velocity vector of NACA0018 airfoil at 30°

 图 3 NACA0018翼型在35°时的速度矢量图 Fig. 3 Velocity vector of NACA0018 airfoil at 35°

 图 4 NACA0020翼型在30°时的速度矢量图 Fig. 4 Velocity vector of NACA0020 airfoil at 30°

 图 5 NACA0020翼型在35°时的速度矢量图 Fig. 5 Velocity vector of NACA0020 airfoil at 35°

2）如图6图7所示，随着舵角的增大，作用在舵叶表面压力中心逐远离舵缘向舵叶中部移动，涡流在NACA0018翼型背流面尾部产生的压力的明显大于NACA020翼型，压力过高会导致大舵角时的升力性能下降。

 图 6 NACA0018翼型在30°时的压力云图 Fig. 6 Pressure cloud diagram of NACA0018 airfoil at 30°

 图 7 NACA0020翼型在35°时的压力云图 Fig. 7 Pressure cloud diagram of NACA0020 airfoil at 35°
3.2 高效翼型舵水动力性能仿真

 图 8 高效翼型在30°时的速度矢量图 Fig. 8 Velocity vector of high efficiency airfoil at 30°

 图 11 高效翼型在35°时的速度矢量图 Fig. 11 Pressure cloud diagram of high efficiency airfoil 35°

 图 9 高效翼型在35°时的速度矢量图 Fig. 9 Velocity vector of high efficiency airfoil at 35°

 图 10 高效翼型在30°时的速度矢量图 Fig. 10 Pressure cloud diagram of high efficiency airfoil 30°
3.3 结果分析

 图 12 升力系数对比图 Fig. 12 Fig, 12 Comparison of lift coefficient

 图 15 升阻比对比图 Fig. 15 Comparison chart of lift-drag ratio

 图 13 阻力系数对比图 Fig. 13 Comparison chart of drag coefficient

 图 14 法向力系数对比图 Fig. 14 Comparison chart of normal force coefficient
4 翼型选用分析

5 结　语

1）在小舵角时，相对厚度小的翼型升阻比较大，在大舵角时，翼型厚度越大的翼型升阻比更大，涡流产生舵角大，分布范围小，可拓宽升阻比范围；

2）高效翼型在升力提高的同时，不应该忽略阻力对水动力性能的影响，由于尾部收缩较早涡流产生的舵角更小，对尾部压力作用更大，强度要求更高；

3）传统的公式计算与实际选型要求误差更大，CFD仿真则可以缩小实际误差，优化了舵叶翼型选用思路；

4）舵设备选型应综合考虑船舶整体需求，采用规范计算、CFD仿真与海试相结合的方式，在节约成本的前提下可以更能满足实际工况需求。

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