1．目的及意义

随着现代船舶行业科学技术的发展，越来越多的新型推进器走入人们的视野，例如导管螺旋桨、可调距螺旋桨、对转螺旋桨、CLT螺旋桨（尾流收缩叶梢有载螺旋桨）、喷水推进器、吊舱推进器等等。其中，导管螺旋桨以其优越的性能以及相对其他新型推进器更为简单的构造而备受人们关注。

导管螺旋桨一般由内部螺旋桨以及外围圆形套筒组成，套筒纵向截面多为机翼型或折角线型，因此导管螺旋桨也被称为套筒螺旋桨。通常导管桨按导管内部流场流动状态可分为加速型导管桨和减速性导管桨两类：加速型导管桨导管切面向内凹，水流经过导管时被加速，通常用于提高重度负载螺旋桨的效率；减速型导管桨切面向外凸，水流经过导管时被减速，通常用于减缓空泡的发生^[1]。

两种导管桨的剖面图如图1所示。

a.加速型 b.减速型

图1：两类导管桨剖面图 导管桨具有以下优势[2]：

1) 加速型导管内部流场水流速度增加，螺旋桨运转于更高速的流场中，同时尾流收缩减小，有效减少尾流能量损失，以及导管与桨叶间间隙较小，限制叶梢处绕流，从而提高导管桨效率；

2) 减速型导管内部流场水流速度降低，压力增加，从而延缓空化现象，减少其副作用诱导压力和辐射噪声；

3) 螺旋桨桨叶受导管保护，避免受到外物破坏；

4) 导管兼具舵的作用，具有更好的操纵性。

一般而言导管桨多用于低速重载的船舶上，如拖船、拖网渔船等。近年来随着科学技术的发展，导管桨已开始试用于AUV（水下自主航行器）等新型高科技船舶上，国外也已有关于探究导管桨对于AUV操纵性影响的文章^[3]，相反国内对这方面的研究则略显不足，这一定程度上证明了导管桨在未来的船舶智能化发展上具有一席之地，同时也表明了急需开展导管桨水动力性能以及新型导管桨开发设计等方面的研究。

通常螺旋桨的设计方法可分为图谱设计法和环流理论设计法两类。然而传统的导管桨图谱研究设计方面，公开发表可供直接采用的导管桨图谱资料并不如常规螺旋桨丰富。目前国内相关研究单位仍主要采用现有导管系列^[4]，如荷兰船模试验池（MARIN）的No.19A、No.37，上海交通大学的JD75、JD7704等。这一定程度上限制了新型导管桨的设计以及水动力性能的提升。此外，由于导管桨内部流场复杂，存在梢涡、尾涡、桨叶及导管边界层、导管内壁与桨叶叶梢之间的间隙流等粘性绕流现象，传统的基于势流的环流理论设计方法已不适用于精确描述导管桨的水动力特性，因此需要求助于新的方法。随着计算机技术的发展，现代计算流体力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）技术以其高精度、低成本等优点，自然而然地开始运用于导管桨水动力性能的预报及高效导管桨的设计、开发方面。

通常对于螺旋桨的水动力性能研究分析可分为两类：一是试验研究，二是数值计算。导管桨虽然相比普通螺旋桨更为复杂，但研究方法基本一致。由于螺旋桨桨叶曲面复杂，桨模制作周期长，造价昂贵^[5]，因此试验研究一定程度上无法自由快速地预报螺旋桨的水动力性能，对于导管桨更是如此。
数值计算主要分为势流理论和粘流理论两个方面，其中势流理论发展较早^[6]。势流理论从最初的螺旋桨动量理论发展到后来的升力线理论、升力面理论、以及成熟的面元法，这也为导管桨水动力性能研究提供了坚实的理论基础。升力线理论指把螺旋桨桨叶看做有限翼展的机翼，用一根径向升力线（即一条附着涡线）来代替桨叶，模拟桨叶升力作用^[7]，但由于它未考虑桨叶实际形状，且当螺旋桨具有侧斜或者纵斜时，计算结果就难以保持精确。升力面理论指在螺旋桨叶片拱弧面上连续分布附着涡，来替代叶片的作用，该涡片称为螺旋桨的附着涡片，即升力面，同样升力面理论基于薄翼理论的基础，利用厚度为零的升力面代替桨叶，因此其计算的叶剖面压力分布存在误差,特别是导边附近的压力分布误差较大^[8]。而面元法指对物体表面进行离散，从而形成多个面元，然后将源汇、涡、偶极子分布在这些面元上，最后通过将物体表面的边界条件、Kutta条件与原控制方程组的联立，求解出所需的数值解。面元法与前两者不同，它不对物体形状做任何假设，并在真实物面上满足边界条件^[9]，因此计算结果更为精确，应用也更为广泛。

1934年Kort证明了加速型导管在低进速情况下能有效提高螺旋桨效率，从此推广了导管桨在低速重载型船舶上的运用^[10]。早期对于导管桨的研究，一般将桨叶看做鼓动盘模型，用分布在圆柱面上的奇点来模拟导管的载荷和厚度，1987年Lee等人创造性地对螺旋桨采用低阶面元法，对导管采用涡格升力面法，然后迭代计算两者之间的相互作用，计算精度相对之前单纯的面元法大大提高^[11]，国内杨晨俊在1997年采用该方法，在将螺旋桨对导管诱导速度取周向平均值的前提下，以此来预测JD简易导管桨系列的定常水动力性能 ^[12]。2002年ZHANG Jianhua在以上基础上外加尾涡伴流修正模型来描绘尾涡片的变形与分离，从而成功预测JD简易导管桨以及可调距桨水动力性能，并深入探究各参数如分格数、水动力螺距角、桨毂长度等，对性能预报准确度的影响^[13]。

以上成果都证明了势流理论的实用性，然而它仍存在不可忽略的缺陷，即未考虑流体粘性的影响，所以一定程度上它无法准确预测导管桨梢涡、尾涡、桨叶及导管边界层、导管内壁与桨叶叶梢之间间隙流等真实流动情况，其中间隙流不仅影响螺旋桨及导管的环流分布，还影响着螺旋桨与导管间的载荷分配；此外从桨叶脱落的涡流与导管内壁边界层也有强烈的相互作用，而这些都无法通过势流方法考量^[14]。因此，随着计算机科学技术以及计算流体力学的发展，越来越多的人倾向于采用基于粘流理论的理论计算方法来进行导管桨水动力性能的研究。

通常基于粘流理论的方法可分为三类：直接数值模拟（Direct Numerical Simulation，DNS），大涡模拟（LargeEddy Simulation ，LES）和雷诺平均方程（Reynolds-Averaged Navier-Stokes，RANS）。DNS方法指通过直接求解流体方程而得到流动的瞬态流场^[15]，由于流动方程的复杂性，直接求解对计算机性能要求极为严格，因此该方法通常应用于简单流动问题的数值研究，针对涉及复杂流动现象的实际工程问题，以目前的计算机水平难以实现。LES方法指对方程在一定空间区域进行平均，从而在流场中过滤小尺度涡而得到大尺度涡的运动方程，然后通过亚格子尺度模型模拟小涡对大涡的影响，基于在大涡方程中引入附加应力项而体现^[16]，同样采用LES方法进行导管桨水动力性能的数值研究，计算量依然很庞大，不适合应用于工程实践中。因此RANS求解法仍是三者中应用范围最为广泛的方法，它认为影响流体流动现象的主要因素仍然是流体的平均运动，因此将瞬时运动分解为平均运动和脉动运动两部分，脉动项的贡献通过雷诺应力项体现，导致方程无法封闭，因此需要引入湍流模型

相比之前势流理论计算等，粘流理论计算具有巨大优势：成本低，计算精度高，适用范围广，可自由模拟各种测量数据状态，通过云图直观展示各种计算结果，并根据计算结果实时进行改进或优化。然而它也存在缺点：计算周期长，对计算机处理能力要求高，对复杂区域预处理较为麻烦等。国外已有诸多学者基于粘流理论来探究导管桨水动力性能，例如2006年M.Hoekstra采用RANS方法在保持导管外形不变的前提下采用鼓动盘模型代替螺旋桨，从而在保持水动力性能数值预测精确度的同时有效减少计算时间^[17]。2011年H.Haimov采用RANS方法预测导管桨和CLT桨的敞水性能，并发现由于导管与螺旋桨的相反表现，导管桨总推力系数不受尺度效应影响^[18]。2014年Chao LI基于同一拖网渔船设计普通桨和导管桨，并采用RANS方法比较两者的水动力性能，证实低进速下导管桨性能优于普通桨^[19]。2015年Xueming He采用基于混合网格和雷诺应力模型的RANS方法预测导管桨水动力性能，证明雷诺应力模型下计算误差低于标准模型^[20]。同样国内也有诸多学者取得了很大进展，吕晓军^[21]，欧礼坚^[22]等人都基于粘流理论对导管桨水动力性能进行数值模拟，并与模型试验结果进行比较，证实数值计算结果与试验结果吻合。范露^[23]，张弘^[24]基于RANS方法进一步探究出导管各参数对导管桨水动力性能的影响。以上成果都表明基于粘流理论的数值计算方法在导管桨水动力性能预报方面已经趋于成熟，可为导管桨设计、改进提供参考以及建议。

本文基于上述研究背景，采用商用软件ICEM和Fluent，基于RANS方法研究No.19A xx导管桨的敞水性能，即导管桨推力系数、导管推力系数、扭矩系数、敞水效率与进速系数之间的关系，并与模型敞水试验结果进行比较，分析可能存在的误差原因，论证数值计算的可行性以及准确性；同时通过修改导管桨几何参数，探讨相关参数对导管桨敞水性能的影响，可为高能效导管桨的设计及优化提供参考。

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2. 研究的基本内容与方案

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2.1 研究内容及目标

本文采用ANSYS Fluent软件，基于RANS方法针对No.19Axx导管桨的敞水性能展开相关研究，探讨导管桨几何参数对导管桨敞水性能影响的规律。研究的基本内容包括：

1) 通过查阅文献等资料对导管桨的特点、影响导管桨水动力性能特征参数、研究现状进行综述；

2) 学习商用计算软件的基本操作，掌握螺旋桨敞水性征数值计算方法；

3) 以现有桨型数据，进行建模及敞水性征计算，与试验结果进行对比分析。

2.2 技术方案及措施

本文采用的技术方案流程图如图2所示：

图2：技术路线流程图

具体技术措施如下所述：

1) 阅读相关文献及资料，学习流动控制方程、湍流模型及导管桨敞水性能数值预报方法。

2) 根据船舶推进和船舶推进器水动力学课程及查阅资料，基于xx螺旋桨桨叶轮廓尺寸和叶切面尺寸表借助Matlab确定桨叶各切面型值点三维坐标，再通过SolidWorks建立桨叶、桨毂以及No19.A导管的三维几何模型。

3) 学习网格处理软件ANSYS ICEM，将之前所得到的几何模型导入ICEM中进行结构化网格与非结构化网格相结合的混合网格划分。构建2-3套采用相同拓扑形式，但不同密度的网格，便于后期进行网格尺度对计算精度影响的探究。随后，将完成的网格导入Fluent中进行数值计算，得到不同进速系数下的导管桨推力系数、导管推力系数、扭矩系数、敞水效率。基于计算结果通过Origin绘制不同网格密度下的No.19A xx导管桨敞水性征曲线，并与公开的模型试验结果进行比较分析。然后改变湍流模型再次进行重复以上步骤，从而探讨网格密度、湍流模型对数值计算精度的影响，以达到计算精度和计算时间的折中。

4) 根据上文确定的网格数量、湍流模型，基于最初几何模型，在保持其他参数不变的情况下，依次通过修改叶梢间隙、导管长径比等参数，再次进行数值计算，基于计算结果绘制新三维几何模型下的敞水性征曲线，与原模型进行比较分析。

5) 基于以上比较分析，总结网格数量、湍流模型、叶梢间隙以及导管长径比等参数对No.19A xx导管桨敞水性能影响的规律。

3. 参考文献

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张弘，邹义，王涛，等．导管参数对导管桨水动力性能的影响研究[J]．船舶工程，2015(S1)： 71- 75． 1．目的及意义

随着现代船舶行业科学技术的发展，越来越多的新型推进器走入人们的视野，例如导管螺旋桨、可调距螺旋桨、对转螺旋桨、CLT螺旋桨（尾流收缩叶梢有载螺旋桨）、喷水推进器、吊舱推进器等等。其中，导管螺旋桨以其优越的性能以及相对其他新型推进器更为简单的构造而备受人们关注。

导管螺旋桨一般由内部螺旋桨以及外围圆形套筒组成，套筒纵向截面多为机翼型或折角线型，因此导管螺旋桨也被称为套筒螺旋桨。通常导管桨按导管内部流场流动状态可分为加速型导管桨和减速性导管桨两类：加速型导管桨导管切面向内凹，水流经过导管时被加速，通常用于提高重度负载螺旋桨的效率；减速型导管桨切面向外凸，水流经过导管时被减速，通常用于减缓空泡的发生^[1]。

两种导管桨的剖面图如图1所示。