[发明专利]舵叶端部抑制流体分离和空化的导流罩及其设计方法

说明书

本发明属于船舶设计领域，尤其涉及一种舵叶端部抑制流体分离和空化的导流罩及其设计方法。一种舵叶端部抑制流体分离和空化的导流罩，所述导流罩位于舵叶端部，表面光顺，所述导流罩的边缘轮廓线与舵叶端面的边线重合，并与舵叶表面光顺过渡。所述导流罩能够改善舵叶端部附近的流场分布，抑制舵叶下端面附近的流体分离，提高舵叶下端面的抗空化性能，进一步避免舵叶端部的空化剥蚀，减小舵叶下端面因空化和分离涡引起的振动和噪声。

技术领域

本发明属于船舶设计领域，尤其涉及一种舵叶端部抑制流体分离和空化的导流罩及其设计方法。

背景技术

船舵是船舶上用于控制船舶航行方向的基础设备，传统船用舵的下端面为平面，与舵叶面叶背约成90度夹角形成形状畸变，导致在舵端面处易发生流体分离，形成很强的分离涡，分离涡不仅会引起振动和噪声，而且使得舵端部在较低航速时发生空化，产生空化剥蚀，增加舵的维护成本，降低了舵的使用寿命，舵端部空化还会进一步加剧舵的振动和噪声。舵空泡实船观测结果和舵空泡模型试验观测结果均显示，平面型舵下端面的空化的起始航速比舵叶表面空化低得多，一般水面船在18Kn左右的巡航速度下舵端面就已经产生明显空化。

发明内容

针对上述现状，本发明的目的在于提供一种舵叶端部抑制流体分离和空化的导流罩及其设计方法，该导流罩能够改善舵叶端部附近的流场分布，抑制舵叶端部的流体分离，降低该部位发生空化的可能性，提高船舵的综合性能。

为实现上述目的，本发明创造采用如下技术方案。

一种舵叶端部抑制流体分离和空化的导流罩，所述导流罩位于舵叶端部，表面光顺，所述导流罩的边缘轮廓线与舵叶端面的边线重合，并与舵叶表面光顺过渡。所述导流罩能够改善舵叶端部附近的流场分布，抑制舵叶下端面附近的流体分离，提高舵叶下端面的抗空化性能，进一步避免舵叶端部的空化剥蚀，减小舵叶下端面因空化和分离涡引起的振动和噪声。

进一步地，导流罩各弦向位置垂向剖面(用垂直于舵叶下端剖面对称线的平面去截取导流罩得到的剖面)形状是使各剖面负压力系数峰值取值最小的剖面形状，所述负压力系数的定义为：其中p为导流罩表面的压力，p₀为参考压力，ρ为海水密度，V_S为船舶航速。通过利用上述参数对负压力系数进行计算，可以方便的对各种导流罩设计模型进行对比计算，得到使舵叶获得最佳性能的外形数据。

在进行快速设计的时候，可以使每一弦向位置处导流罩的竖直剖面为半圆形或者半椭圆形，在为半椭圆形的时候该半椭圆形的横轴始终等于舵叶的下端的剖面在该弦长处的厚度。在满足设计需求的基础上，通过取上述参数进行快速设计，可以简化导流罩设计过程，再根据该参数的设计结果决定是否还需要对剖面形状进行进一步优化设计。

进一步地，所述导流罩的内部为空心结构。通过设置空心结构的导流罩，可以减小船舵重量，同时降低材料使用量，降低生产升本。

根据需要，可以利用轻质材料填充以减小船舵重量或者更进一步在导流罩内腔设置加强筋板，以保证空心的导流罩的强度。

进一步地，可以使导流罩与舵叶一体加工成型。通过使舵叶一体加工设计，可以避免结合部产生额外的异常流场，优化船舵整体的流场分布以及抗空化效果，提高船舵整体性能。

一种舵叶端部抑制流体分离和空化的导流罩的设计方法，包括以下步骤：

步骤一：保持舵叶的主体外形和结构不变，对舵叶的外轮廓进行建模；

步骤二：在舵叶几何模型的端部加装几何光顺的导流罩模型，调整导流罩模型参数，使导流罩模型的边线与舵叶模型的安装剖面的边线重合，导流罩外表面与舵叶表面光顺连接；

步骤三：通过数值计算方法计算螺旋桨的尾流场，所述尾流场数据包括尾流速度方向和速度大小的分布；