基于PIV实验数据的螺旋桨尾涡结构分析

李广 年 ，张 军 ，陈 正寿 ，谢 永 和
（ １浙 江 海 洋 学 院 船 舶 与 建 筑 工 程 学 院 ， 江 舟 山 ３ ６ ０ ； 浙 １ ０ ０ ２中 国船 舶 科 学 研 究 中心 ，江 苏 无 锡 ２ ４ ８ ） １０ ２
摘 要 ： 了 预 报螺 旋 桨 非定 常水 动力 性 能 ， 对 大 量 的 螺 旋 桨 尾 流 场 二 维 ＰＶ 试 验 数 据 ， 析 了尾 流 中 尾 涡 片 经 为 针 Ｉ 分 过 区域 速 度 的分 布 情 况 ， 析 了 螺旋 桨尾 涡结 构 。获 得 了 “ 度 亏 损 ” “ 片 分 层 ” 诸 多 尾 流 特 征 ， 得 了 螺 旋 分 速 、涡 等 获 桨 尾 涡 静 态 结 构 特 征 以及 该 结 构 特 征 在 尾 流 中的 演 化 。 中分 析 所 获 得 的定 量 信 息 可 以为 螺 旋 桨 设 计 以及 螺 旋 文
相机 ， 拍摄 面积为 １０ ｉｘ ｍｍ。 踪粒 子 为松 花粉 ， １ｍ １Ｏ ｎ １ 示 直径 约为 ４ ｔ ＰＶ 图像分 析采 用 Ｔ Ｉ 司开 ０ ｍ。 Ｉ ｘ Ｓ公
发 的 Ｉ ＳＧ Ｇ软 件 ， 断 窗 口为 ４ ｐｘｌ４ ｐｘｌ成 像 系数 为 ０ ５ ， ２２ ｍｘ ．ｍ ｏ ｅ ａ Ｎ Ｉ ＨＴ ３ 诊 ２ ｉｅ× ２ ｉｅ， ． ３ 合 ．ｍ ２２ ｍ，ｖｒ ｐ为 ０ ｌ ５ ％。同一相 位 速度 场数 据 由 １０次测 量结 果平 均得 到 。 ０ ０ 本 文分 析 了两种 工 况下 的试 验数 据 ， 一 种工 况在 该 桨 设计 进 速 系数 ０８ ３情 况 下进 行 ， 中 第 ．３ 其 螺旋 桨转 速 ｎ １ ． ｒｓ 均匀来 流 Ｕ ３５ ｍ ｓ ＝ ７０ ｐ ， ７ ＝ ．５ ／。第二 种工 况 ０６ 其 中螺 旋桨 转速 ｎ ２ ． ｒｓ均匀 来 ． ０， ＝ ３ ７ｐ ， ６
流 Ｕ ３５ ｍ ｓ ＝ ． ／。试验 数据 仅为 尾 流 中的轴 向 、 向二 维速 度场 。文 中数 据表 达 以 为来 流速 度 ， 为流 ５ 径
场 中轴 向速度 ， 为径 向速度 ， 为涡量 。 坐标 系 以水 流方 向为 轴 正方 向 ， ｚ轴通 过 桨盘 面 中心竖直 向 上为 正 ， 以右手 定则 确定 。运动 坐标 系 以桨叶参 考线 为 ０ ， Ｙ轴 。 静止 坐标 系 以水平 子午 面为 ０ ， 。 以螺 旋
Ｋｅ ｒ ｓ ｙ ｗｏ ｄ ：ｐｒ ｐ ｌｅ ；ｔａｌｎｇ ｖ ｒｅ ；ｖ ｌ ｃｔ —ｄ ｆ ｃ；ｔ ａ ｅ ｆｖ ｒｅ ｈ ｅｓ ｏ ｅ ｌ ｒ ｒ ｉｉ ｏ ｔ ｘ ｅｏ ｉ — ｅ ｅ ｔ ｗｏ ｌｙ ｒｏ ｏ ｔｘ ｓ ｅ ｔ ｙ
１ 引 言
螺旋 桨 尾涡 结构 对 螺旋 桨水 动力性 能 起着 非 常重要 的作用 。然 而 由于尾 涡 问题 的复 杂性 ， 难 获 很 得精 确 的尾 涡结 构 。通 常求解 螺 旋桨 水 动力 性 能时 ， 多采 用 经验 尾 涡模 型 ， 大 即尾 涡面形 状 预先 人 为
涡量 等值 线 图 ， 中显示 ， 图 随螺 旋 桨载 荷增 大 ， 尾流 中涡 量强 度 明显 变 大 ， 由于缺 少周 向速 度 ， 算 的 计 出 的正 、 负涡层 强 度有 一定 的差 别 ， 涡层 强度 明显 比负涡 层大 。 正 图 ５是尾 流场 中各横 截面上 ｒ ＝ ．６ 、Ｒ＝ ． ７两个半 径处 的轴 向速度 沿轴 向分 布情况 ， ６是 ］ Ｏ７ １ｒ ０４ Ｒ ／ ４ 图 对应 的径 向速 度 。 比较 图 ５ 、 ５ ａ 图 ｂ两 幅 图 ， ＝ ． ７处 速度 沿周 向分 布 曲线 “ ０４ ４ 毛刺 ” 象 明显 比 ＝ 现 ０７ １ 重 。这应 该是 ｒ ０４ ７处 流场 受毂 涡的 影响 ， 流强 烈 ， 此数 据显 示 “ ．６ 严 ／ ． Ｒ＝ ４ 湍 因 毛刺 ” 象严 重 。 图 现
给定 ｌ １ 。这 样 的尾 涡 面常 常不 满足 运动 学边 界 条件 ， 螺旋 桨 的水 动 力性 能 与尾 涡 面形 状直 接 相关 。 而 由于尾 涡面 形状 的指 定具 有人 为 的随意 性 ， 螺旋 桨 水 动力性 能 的预报 精 度就 有不 确 定性 。因此 ， 确 正
预报 尾 涡面 的几 何形 状是 求解 螺 旋桨 水 动力性 能 的主要 环 节， 也是 十分 重 要和 有意 义 的 。现 代 先进 测 量技 术 的发展 为用 实 验方 法预 报 螺旋 桨 的尾 涡结 构 提供 了优越 的条件 ，众 多学者 为这个 课 题 的进 展 贡献 了 自己的力 量¨ 本 文 对大 量 的螺旋 桨尾 流 场 Ｐ Ｖ数据 做 了详 细的分 析 ， ３ 。 Ｉ 获得 了 大量 的定 量 的螺
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收稿 日期 ： ０ １ ０ — ５ ２ １ — ４ ０
基 金 项 目：浙 江 省科 技厅 公 益 技 术 应 用 研 究 国 际科 技 合 作 项 目（０ ２ ０ ５ ； 江 省 自然 科 学 基 金 ２ １Ｃ ４ ０ ） 浙 １
一
杰 出青 年 项 目（ ５１ ０ ３ ； 江 省 自然 科 学 基 金 （ １ ０ ７１ Ｒ １ ０ ６） 浙 Ｙ１ ０ ６ ）
ｗａ ｅ ｎ ｌｏ ａ ａｙ ｅ ｈ ｔ ｃｕ ｅ ｏ ａｌ ｇ ｖ ｒｅ ． ｈ ｙ ｉ ａ ｈ ｒ ｃ ｅ ｉｔ ｓ ｏ ｒ ｐ ｌ ｒｗａ ｅ ｗｅ ｅ ｋ ，ａ ｄ ａｓ ｎ ｌｓ ｄ ｔ ｅ ｓｒ ｔ ｒ ｆｔ ｉ ｎ ｏ ｔｘ Ｔ ｅ ｔ ｐ ｃ ｌｃ ａ ａ ｔｒｓｉ ｆｐ ｏ ｅｌ ｋ ｒ ｕ ｒ ｉ ｃ ｅ
Ａｂｓｒ ｃ ：Ｆｏ ｏ ｅ ａ ｔｎ ｈ ｓｅ ｄ ｙ ｒ ｄ ｎ ｍｉ ｈ ｒ ｃｅ ｉｔｃ ｆｐ ｏ ｅｌ ｒ ｈ ｓ ｐ ｐ ｒ ｐ ｏ ｅ ｓ ｄ Ｉ ｔａ ｔ ｒ ｆｒ ｃ ｓｉ ｇ ｔ ｅ ｕｎ ｔ ａ ｙ ｈ ｄ ｏ ｙ ａ ｃ ｃ ａ ａ ｔ ｒｓｉ ｓｏ ｒ ｐ ｌ ，ｔ ｉ ａ ｅ ｒ ｃ ｓｅ Ｐ Ｖ ｅ ｅ ｐ ｒｍｅ ｔ ｌｄ ｔ ｆｐ ｏ ｌｅ ｋｅ ｎ ｌｓ ｄ ｔ ｅ ｓ ａ ｉｌｄ ｓｒｂ ｔｏ ｆｖ ｌ ｃ ｔ ｅ ｒ ｔ ｅ ｔａ ｌｎ ｏ ｅ ｎ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ａ ａ ｏ ｒ ｐｅｌ ｒｗａ ，ａ ａｙ ｅ ｈ ｐ ｔａ ｉｔｉ ｕ ｉ ｎ ｏ ｅｏ ｉ ｎ ａ ｈ ｒ ｉｉ ｇ ｖ ｒ ｘ ｉ ｙ ｔ
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桨旋 转方 向为 正方 向 （ 图 １ ， 中 的横 、 坐标 是与 螺旋 桨半 径无 因次 化后 的值 。根 据公 式 （ ） 以 如 ）图 纵 １可
计算 得到 方 向的 涡分量 场 。
＝
誓一
（ ｂ）
图 １ 螺 旋 桨 坐标 系
Ｆ ｇ １ Ｃ ｏ ｄ ｎ ｔ ｙ ｔｍ ｆｐ ｏ ｅｌ ｒ ｉ． ｏ ｒ ｉ ａｅ ｓ ｓ ｅ ｏ ｒ ｐ ｌ ｅ
第 １ ５卷第 １ ０期
２１ ０ １年 １ ０月
文 章 编 号 ：１ ０ — ２ ４ ２ １ ）０ １ １ — ５ ０７ ７ ９ （０ １— ０ ０ １ １
Ｖ０ ． ５ Ｎｏ １ １１ ．０
０ｃ ．２ １ ｔ ０１
基 于 Ｐ Ｖ 实验 数 据 的 螺旋 桨尾 涡 结构 分 析 Ｉ
２ 试 验 数 据 简 介
试 验对 象 为 Ｄ ＭＢ Ｐ １ ９标 准 螺旋 桨 ， 旋 三 叶 ， Ｔ —４１ 右 毂径 比 为 ０２ 无 侧 斜 、 纵 倾 ， 计 载荷 为 ．， 无 设 ０８ ３ 桨模 半径 Ｒ １５ ｍ， 验方 案见 文献 ［】 ．３ ， ＝２ｍ 试 １。试 验在 中国船 舶科学 研究 中心 空 泡水 筒试 验 室实施 。 ＰＶ系 统包 括 Ｂｇ ｋ 一 ９ Ｉ ｉＳ ｙ １０脉 冲激光 器 （ ｘ ８ ｍＪ ３ ｎ １Ｈｚ本 次试 验 频率 为 ５ ｚ 能 量 ｌＯ ） 片 ２ ３ ０ ＠５ ２ ｍ，０ ， Ｈ， Ｏ ｍＪ ， 光 厚度 为 １ ｍ 两 束 激光 发 光 间隔 为 ７ ｐ 。 图像 记 录采 用 Ｔ Ｉ ｏ ｅＶ ｅ Ｍ（ ０ ８ ｉ ｌ ０ ８ ｉ １ ． ｍ， ５ ０￣ ｓ Ｓ ｗ ｒ ｉ ４ ２ ４ ｐｘ ４ ｐｘ ） Ｐ ｗ ｅ２ ｅ
桨非定常水动力性能预报提供帮助 。
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关 键 词 ： 旋 桨 ； 涡 ； 度 亏 损 ；双 层 涡 片 螺 尾 速
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中 图分 类号 ：Ｕ６ １ ６
文献 标 识 码 ：Ａ
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３ 分 析 结 果
图 ２为 尾流场 中一 系列横 截面 上 的速度 云 图 。从 图 中可 以清 晰地观 察 到螺旋 桨尾 涡结 构： 整个 流
场速 度梯 度层 次 清晰 ， 向速度 云 图 图 中存 在 一条 清 晰 的低速 带 由桨 轴延 伸 至梢 涡位 置 ， 为尾 涡片 轴 此 经过 区域 ， 应径 向速 度云 图 中表现 为 高速带 。 随着 尾流 下移 ， 对 伴 这种 速 度突变 带 沿周 向移 动 ， 明螺 说 旋桨 尾流 高速 旋转 。图 ３为 尾流 场 中 ｘ ｙ平 面 内的涡 分量 云 图 。涡分 量 云 图显 示 为正负 两层 ， ｏ 与文 献 ［ 结论 相 吻合 。由于 梢涡 的高频 振 动 ， 其周 围诱 发 了负 的二次 涡 。图 ４为计算 得 出 的两种 工况下 的 ６ ］ 在
作 者 简 介 ： 广 年 （ ９ １ ） 男 ， 江海 洋学 院讲 师 ； 李 １８ 一 ， 浙 张 军 （ ９ ７ ） 男 ， 国船 舶 科 学 研 究 中心 研 究 员 。 １６ 一 ， 中
第 １ ０期
李 广 年等 ： 于 Ｐ Ｖ实验 数据 的螺 旋桨 尾涡 基 Ｉ
旋 桨尾 流特 征信 息 ， 期望 为螺旋 桨设 计 ， 螺旋 桨空 泡和 噪声 等非 定常 性能 预报 提供 技术 支持 。