2020/12/29

【技術】水下潛航器尾部形狀對推進的影響

    水下潛航器underwatervehicle (UV) 設計,必需要將艇體-推進-驅動整體考慮,也就是我們常說的要達到船機槳匹配。

    在系統設計期間,經常會忽略螺旋槳與艇體之間的關系,尤其是水流如何到達螺旋槳周圍,以及艇體與螺旋槳之間的局部壓力如何影響推力。希望通過本文使UV設計者對這種關鍵的水動力相互作用有一些了解。


螺旋槳壓力
 

    螺旋槳葉片兩側有兩個主要壓力區,它們共存并產生推動艇體運動的推力。在螺旋槳的后部是一個“正壓”區域(在圖中以P +表示)。將手伸出車窗外。稍微旋轉手以使拇指抬起。當您的汽車行駛時,空氣會被您的手抓住,從而形成“正壓力”。這等效于螺旋槳的最后側(“面”),并向前推動葉片。

    同時,由于環繞您的拇指和手背的氣流彎曲,您的手上也產生了吸力。(您可能不會感覺到這種感覺,因為我們的手不是很大的機翼,但它在那里。)此吸力是一個“負壓”區域,可將刀片向前(向前)拉動??赡芰钊梭@訝的是,對于大多數用于UV的螺旋槳,吸力“負壓”是推動螺旋槳推力的主要因素。

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艇體尾部形狀


 

    這與我的上游艇體形狀有什么關系?負的螺旋槳吸力會在相當遠的距離產生影響。該抽吸區不僅會向螺旋槳中吸水,而且還會向后拉動船體或位于其前面的艇體。這種減小拉回可以有效地視為增加的阻力,但更常見的是將其作為“推力減額”來處理。而且,具有靠近螺旋槳的向后形狀的艇體特別容易受到推力減小的影響。

    此處顯示的圖形說明了在現代“旋轉體”或“魚雷式” UV上經??吹降娜N不同的尾巴形狀。需要說明的是很多情況下,相對于其他設計約束(例如規定的最大艇體直徑或長度)水動力往往是次要因素。為此,我們在設計時要確定四個主要形狀特征:① 流入螺旋槳的斜率;② 從圓柱體到螺旋槳的過渡曲率; ③ 螺旋槳和上游艇體兩者之間的距離;④ 螺旋槳直徑與艇體直徑之比。

  • 流入螺旋槳的斜率

    理想情況下,軸向入流對螺旋槳最有利。其原因部分是流體動力的,部分是實用的。當水流過螺旋槳時,會發生自然的水動力壓縮并增加速度。如果周圍環境以(或多或少)圓錐形角度的流入進一步增強了這種壓縮,我們將在螺旋槳尾部產生大量的匯集,從而導致能量損失,空化和強烈的輪轂渦流產生的水聲噪聲。

    實際上,由于大多數螺旋槳設計工具(基于軸向流入)的局限性所致,需要特殊的代碼,以允許將葉片截面的幾何形狀從圓形坐標轉換為圓錐坐標系。

    我們可以看到尾部傾斜角(A)在短尾部時非常陡峭,(B)隨著尾部加長而減小,并且(C)在局部尾部形狀彎曲到螺旋槳轂中時變得很軸向。(彎曲的尾巴通常還可以提供較小的輪轂帶來的額外收益。)

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  • 過渡肩部的曲率

    在肩部位置曲率太大或者水流動量太大,都將導致流動的分離。UV主體上的流分離沒有任何好處。(在其他情況下(例如高速艇或超空螺旋槳),分離是適當的,但在UV領域則不適用。)

    我們已經制定了一些內部設計準則來幫助量化曲率閾值,但總的來說,越少越好。彎曲度(A)通常太緊,尾巴長度短,但是(B和C)柔軟,并且流動性好,尾巴較長。

  • 槳葉到艇體的軸向距離

    此參數是導致“推力減額”的主要原因。螺旋槳的“負壓”區域的影響隨著距離的增加而減小,從而可以有效利用更多的螺旋槳推力來克服艇體的阻力。

    具體能有多少?對于短而陡峭的尾段,推力減額可能增加超過20%;距離足夠長的話,推力減額損失可能很?。ń咏悖?。例如,一項研究顯示了將軸向距離從大約0.3倍的主體直徑增加0.7倍直徑,推力減額減少一半,恢復了近8%的推力損失。(該測量是從槳葉的80%半徑處到相同徑向位置處的主體位置進行的軸向距離測量。)

    軸距為(A),尾部較短且尾部傾斜角較大,(B)尾部較長則距離自然較大,并且(C)可以彎曲形狀向前推。

  • 螺旋槳艇體直徑比

    這簡單地描述了較小直徑的螺旋槳將使葉片的推力形成部分更靠近艇體,并且推力減小影響相應增加。當然,影響的大小會隨尾段的類型而變化,但是從總體上講,當螺旋槳直徑從艇體直徑的100%減小到50%時,預計推力減額將增加一倍。



計算方法和設計工具



    HydroComp的NavCad軟件中的新功能正在解決UV推力減額的預測問題。這包括新的阻力預測方法,以及實現伴流分數和推力減額系數的評估。同時提供對電動機傳動系統的支持,并對專有的部分負載電動機效率預測功能的。UV設計人員可以可靠地預測在所有運行速度和條件下電流消耗,輸入電功率和整體電動機效率。


 

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