[发明专利]一种舵型为NACA0018的选型方法

摘要

本发明公开了一种舵型为NACA0018的选型方法。本发明将数值分析法和试验方法结合起来。利用数值模拟的方法能较精确的计算舵的受力情况。通过舵机试验台可以精确的测量舵机在各舵转角下的扭矩值，再结合优化设计的方法可以获得最佳的舵机型号，完成舵机选型工作。

主权项

一种舵型为NACA0018的选型方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)利用FLUENT软件计算出舵叶的舵力和对舵杆的扭矩：在FLUENT软件平台上，先利用前处理器GAMBIT建立若干个处于不同舵角下的舵计算模型，然后在后处理器FLUENT里对各个计算模型进行舵水动力性能计算，得出不同舵角下的舵受力情况，并与通过展弦比换算后的试验数据进行对比，验证数值计算方法在舵水动力计算中的可行性和准确性；(2)带整流帽的半悬挂舵敞水水动力性能数值计算分析：本发明采用的舵型为NACA0018，展弦比为1.65，计算时，将舵和挂舵臂看成一整体；最后将计算结果与船舶原理书中根据普兰特(Prandt l)公式换算结果进行比对；a.控制方程：采用不可压缩粘性流体的RANS方程作为求解舵的三维粘性流场的基本方程，写成如下形式：式中：ui、uj为时均速度分量，ui′、uj′为脉动速度分量；b.对于舵水动力计算采用RNG K‑ε湍流模型，湍流动能k方程形式如下：湍流能量耗散率ε方程为：式中：μt为湍动粘性系数，PK为湍动生成项，常数分别为：σk＝1.39，σε＝1.39，Cε1＝1.42，Cε2＝1.68；c.数值方法：采用有限体积法离散方程，压力项采用标准的离散格式进行离散，动量方程、湍流动能方程及耗散方程均采用二阶迎风格式进行离散，压力速度耦合迭代采用SIMPLEC算法，整个流域采用非结构网格，在近舵表面区域加密网格；d.数学模型选取；e.边界条件设置；本发明计算域大小为长x宽x高：15Lx8Lx12L，其中L为弦长，边界包括入口、出口、壁面和外场，设置如下：1.速度入口：入口距离舵模前缘四倍弦长，速度大小为7.2m/s，在计算时方向为垂直入口边界；2.压力出口：出口距离舵模后缘十倍弦长，压力为未扰动时边界压力；3.外场：流域的外边界距舵的纵向中心线四倍弦长，速度为未受扰动的主流区速度；4.壁面：舵表面定义为无滑移、不可穿透边界条件；(3)基于规范的舵力计算：本计算根据中国船级社《钢质海船入级规范》要求计算，其中，船舶主尺度如下：总长LOA：179.90m；船宽B：30.00m；型深D：14.80m；设计吃水d：9.50m；设计航速V：14节；舵尺度如下：舵叶面积：A＝29.55m2，At＝33.84m2，舵叶平均高度：b＝7.5m，舵叶平均宽度：c＝4.375m，展舷比：λ＝b2/A＝7.522/33.84＝1.67；正车时：F＝132·K1·k2·k3·A·Vd2式中：K1＝(λ+2)/3＝1.22，k2＝1.1，k3＝1.0，A＝29.55m2，Vd＝14kn；F＝132×1.22×1.1×1.0×29.55×142＝1026KN；倒车时：F＝132·K1·k2·k3·A·Vd2式中：K1＝(λ+2)/3＝1.22，k2＝0.8，k3＝1.0，Vd应不小于0.5V，取Vd＝0.55V＝7.7knF＝132×1.22×0.8×1.0×29.55×7.72＝225.7KN舵杆扭矩：T＝F·R，式中T＝舵力，N；R＝臂距，m；式中：A——舵叶面积，m2：A1、A2——面积，m2：c1、c2——A1和A2部分面积的平均宽度，m，β1＝A1f/A1，其中A1f，m2；β2＝A2f/A2，其中A2f，m2；α1、α2——系数，正车时取0.33，倒车时取0.66；但对位于固定结构(如挂舵臂)之后的部分舵，正车时取0.25，倒车时取0.55。在正车时，臂距A的取值应不小于(A1c1+A2c2)/10A。A1＝12.4，A2＝10，c1＝3，c2＝3，β1＝0.45，β2＝0.15，A1f＝5.6，A2f＝1.5；正车：R＝3×(0.33‑0.45)×12.4/29.55+3×(0.25‑0.15)×10/29.55＝‑0.06m；在正车时，臂距A的取值应不不于(A1c1+A2c2)/10A。；R≥(A1c1+A2c2)/10A＝(12.4×3+10×3)/10×29.55＝0.227m；实取R＝0.227m；倒车：R＝3×(0.66‑0.45)×12.4/29.55+3×(0.55‑0.15)×10/29.55＝0.41m；正车时舵杆扭矩；T＝1026×0.227＝232.9KN.m；倒车时舵杆扭矩：T＝225.7×0.41＝91.7KN.m；舵机选择：考虑风浪与舵系磨擦因素：T总＝1.5T＝349.35N·m根据设备厂现有产品选用50T·m型号电动液压舵机一台；(3)对比计算机数值模拟得出的舵杆力矩与基于规范得出的舵杆力矩，可以看出基于规范得出的舵杆力矩数值偏大，因此采用基于规范方法计算舵杆力矩是安全的，在进行绿色节能舵机的设计时，可进行进一步研究。