2020/12/29

【技术】水下潜航器尾部形状对推进的影响

    水下潜航器underwatervehicle (UV) 设计,必需要将艇体-推进-驱动整体考虑,也就是我们常说的要达到船机桨匹配。

    在系统设计期间,经常会忽略螺旋桨与艇体之间的关系,尤其是水流如何到达螺旋桨周围,以及艇体与螺旋桨之间的局部压力如何影响推力。希望通过本文使UV设计者对这种关键的水动力相互作用有一些了解。


螺旋桨压力
 

    螺旋桨叶片两侧有两个主要压力区,它们共存并产生推动艇体运动的推力。在螺旋桨的后部是一个“正压”区域(在图中以P +表示)。将手伸出车窗外。稍微旋转手以使拇指抬起。当您的汽车行驶时,空气会被您的手抓住,从而形成“正压力”。这等效于螺旋桨的最后侧(“面”),并向前推动叶片。

    同时,由于环绕您的拇指和手背的气流弯曲,您的手上也产生了吸力。(您可能不会感觉到这种感觉,因为我们的手不是很大的机翼,但它在那里。)此吸力是一个“负压”区域,可将刀片向前(向前)拉动。可能令人惊讶的是,对于大多数用于UV的螺旋桨,吸力“负压”是推动螺旋桨推力的主要因素。

1.png


艇体尾部形状


    这与我的上游艇体形状有什么关系?负的螺旋桨吸力会在相当远的距离产生影响。该抽吸区不仅会向螺旋桨中吸水,而且还会向后拉动船体或位于其前面的艇体。这种减小拉回可以有效地视为增加的阻力,但更常见的是将其作为“推力减额”来处理。而且,具有靠近螺旋桨的向后形状的艇体特别容易受到推力减小的影响。

    此处显示的图形说明了在现代“旋转体”或“鱼雷式” UV上经常看到的三种不同的尾巴形状。需要说明的是很多情况下,相对于其他设计约束(例如规定的最大艇体直径或长度)水动力往往是次要因素。为此,我们在设计时要确定四个主要形状特征:① 流入螺旋桨的斜率;② 从圆柱体到螺旋桨的过渡曲率; ③ 螺旋桨和上游艇体两者之间的距离;④ 螺旋桨直径与艇体直径之比。

  • 流入螺旋桨的斜率

    理想情况下,轴向入流对螺旋桨最有利。其原因部分是流体动力的,部分是实用的。当水流过螺旋桨时,会发生自然的水动力压缩并增加速度。如果周围环境以(或多或少)圆锥形角度的流入进一步增强了这种压缩,我们将在螺旋桨尾部产生大量的汇集,从而导致能量损失,空化和强烈的轮毂涡流产生的水声噪声。

    实际上,由于大多数螺旋桨设计工具(基于轴向流入)的局限性所致,需要特殊的代码,以允许将叶片截面的几何形状从圆形坐标转换为圆锥坐标系。

    我们可以看到尾部倾斜角(A)在短尾部时非常陡峭,(B)随着尾部加长而减小,并且(C)在局部尾部形状弯曲到螺旋桨毂中时变得很轴向。(弯曲的尾巴通常还可以提供较小的轮毂带来的额外收益。)

2.png

  • 过渡肩部的曲率

    在肩部位置曲率太大或者水流动量太大,都将导致流动的分离。UV主体上的流分离没有任何好处。(在其他情况下(例如高速艇或超空螺旋桨),分离是适当的,但在UV领域则不适用。)

    我们已经制定了一些内部设计准则来帮助量化曲率阈值,但总的来说,越少越好。弯曲度(A)通常太紧,尾巴长度短,但是(B和C)柔软,并且流动性好,尾巴较长。

  • 桨叶到艇体的轴向距离

    此参数是导致“推力减额”的主要原因。螺旋桨的“负压”区域的影响随着距离的增加而减小,从而可以有效利用更多的螺旋桨推力来克服艇体的阻力。

    具体能有多少?对于短而陡峭的尾段,推力减额可能增加超过20%;距离足够长的话,推力减额损失可能很小(接近零)。例如,一项研究显示了将轴向距离从大约0.3倍的主体直径增加0.7倍直径,推力减额减少一半,恢复了近8%的推力损失。(该测量是从桨叶的80%半径处到相同径向位置处的主体位置进行的轴向距离测量。)

    轴距为(A),尾部较短且尾部倾斜角较大,(B)尾部较长则距离自然较大,并且(C)可以弯曲形状向前推。

  • 螺旋桨艇体直径比

    这简单地描述了较小直径的螺旋桨将使叶片的推力形成部分更靠近艇体,并且推力减小影响相应增加。当然,影响的大小会随尾段的类型而变化,但是从总体上讲,当螺旋桨直径从艇体直径的100%减小到50%时,预计推力减额将增加一倍。



计算方法和设计工具



    HydroComp的NavCad软件中的新功能正在解决UV推力减额的预测问题。这包括新的阻力预测方法,以及实现伴流分数和推力减额系数的评估。同时提供对电动机传动系统的支持,并对专有的部分负载电动机效率预测功能的。UV设计人员可以可靠地预测在所有运行速度和条件下电流消耗,输入电功率和整体电动机效率。