共翼型舵水动力特性的模型试验与数值模拟
第３９卷第４期
２０１８年４月哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｒｂｉｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙＶｏｌ．３９№．４Ａｐｒ．２０１８
共翼型舵水动力特性的模型试验与数值模拟
刘志华，熊鹰，叶青
（海军工程大学舰船与海洋学院，湖北武汉４３００３３）
摘 要：国际上新型潜艇的尾操纵面设计，采用了将前部稳定翼和后部转动舵组合成完整翼型剖面的共翼型布局
方式。为了研究这种共翼型舵与常规舵在水动力性能上的差异，运用模型试验和数值计算模拟方法，对共翼型舵
和常规非共翼型舵的水动力和流场进行了对比研究与分析。结果表明：共翼型舵在小舵角工况时能够保持舵翼结
合部流线的光顺，舵角５°时共翼型舵总升力比非共翼型舵总升力增加了６５．３％；但在大舵角工况，共翼型舵叶背容
易发生流动分离形成分离涡，导致升力性能变差，舵角２５°时共翼型舵总升力比非共翼型舵总升力减小了９．２％。
在小舵角时，共翼型舵尾流区的流场湍动能较低，流动稳定性更好。
关键词：共翼型舵；水动力测量试验；数值模拟；舵升力；翼升力；舵尾流；分离涡；湍动能；尾操纵面；舵角DOI ：１０．１１９９０／ｊｈｅｕ．２０１７０７０７７
网络出版地址：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ／ｋｃｍｓ／ｄｅｔａｉｌ／２３．１３９０．ｕ．２０１８０１２９．１７３３．０１６．ｈｔｍｌ
中图分类号：Ｕ６６１．１ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００６－７０４３（２０１８）０４－０６５８－０６
Model experiment and numerical simulation of the hydrodynamic performance of a conformal rudder
ＬＩＵＺｈｉｈｕａ，ＸＩＯＮＧＹｉｎｇ，ＹＥＱｉｎｇ
（ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＳｈｉｐａｎｄＯｃｅａｎ，ＮａｖａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＷｕＨａｎ４３００３３，Ｃｈｉｎａ）Abstract ：Ｉｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｎｔｈｅｆｉｒｍｍａｎｅｕｖｅｒａｂｌｅｓｕｒｆａｃｅｏｆａｎｅｗｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｓｕｂｍａｒｉｎｅ，ａｃｏｎｆｏｒｍａｌｌａｙｏｕｔｔｈａｔｉｎｔｅｇｒａｔｅｓｔｈｅｆｒｏｎｔｓｔａｂｌｅｗｉｎｇａｎｄｔｈｅｒｅａｒｒｏｔａｔｉｏｎｒｕｄｄｅｒｔｏｆｏｒｍａｃｏｍｐｌｅｔｅｗｉｎｇ－ｓｈａｐｅｐｒｏｆｉｌｅｗａｓａｐｐｌｉｅｄ．Ｔｏｓｔｕｄｙｔｈｅｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅｉｎｔｈｅｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｃｏｎｆｏｒｍａｌｒｕｄｄｅｒａｎｄｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｒｕｄｄｅｒ，ｍｏｄｅｌｔｅｓｔｓａｎｄｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｗｅｒｅｃｏｎｄｕｃｔｅｄａｌｏｎｇｗｉｔｈｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃａｎｄｆｌｏｗｆｉｅｌｄａｎａｌｙｓｅｓ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｃｏｎｆｏｒｍａｌｒｕｄｄｅｒｃｏｕｌｄｍａｉｎｔａｉｎｔｈｅｓｍｏｏｔｈｎｅｓｓｏｆｔｈｅｓｔｒｅａｍｌｉｎｅａｔｔｈｅｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎｗｉｔｈｒｕｄｄｅｒｗｉｎｇａｔａｓｍａｌｌｒｕｄｄｅｒａｎｇｌｅ．Ａｔａｒｕｄｄｅｒａｎｇｌｅｏｆ５°，ｔｈｅｔｏｔａｌｌｉｆｔｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｃｏｎｆｏｒｍａｌｒｕｄｄｅｒｗａｓ６５．３％ｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｎｏｎ－ｃｏｎｆｏｒｍａｌｒｕｄｄｅｒ；ｗｈｅｒｅａｓａｔｌａｒｇｅｒｕｄｄｅｒａｎｇｌｅｓ，ｔｈｅｄｅｔａｃｈｅｄｖｏｒｔｅｘｗａｓｅａｓｉｌｙｄｒｏｐｐｅｄｆｒｏｍｔｈｅｂａｃｋｏｆｔｈｅｃｏｎｆｏｒｍａｌｒｕｄｄｅｒａｎｄｔｈｅｌｉｆｔｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅｄ．Ａｔａｒｕｄｄｅｒａｎｇｌｅｏｆ２５°，ｔｈｅｔｏｔａｌｌｉｆｔｆｏｒｃｅｏｆｔｈｅｃｏｎｆｏｒｍａｌｒｕｄｄｅｒｗａｓ９．２％ｓｍａｌｌｅｒｔｈａｎｔｈａｔｏｆｔｈｅｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌｎｏｎ－ｃｏｎｆｏｒｍａｌｒｕｄｄｅｒ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｔｕｒｂｕｌｅｎｔｋｉｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙｉｎｔｈｅｗａｋｅｚｏｎｅｏｆｔｈｅｃｏｎｆｏｒｍａｌｒｕｄｄｅｒｉｓｌｏｗａｎｄｆｌｏｗｓｔａｂｉｌｉｔｙｉｓｈｉｇｈａｔｓｍａｌｌｒｕｄｄｅｒａｎｇｌｅｓ．Keywords ：ｃｏｎｆｏｒｍａｌｒｕｄｄｅｒ；ｈｙｄｒｏｄｙｎａｍｉｃｓｔｅｓｔ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｒｕｄｄｅｒｌｉｆｔ；ｗｉｎｇｌｉｆｅ；ｒｕｄｄｅｒｗａｋｅ；ｄｅ－ｔａｃｈｅｄｖｏｒｔｅｘ；ｔｕｒｂｕｌｅｎｔｋｉｎｅｔｉｃｅｎｅｒｇｙ；ｓｔｅｒｎｍａｎｅｕｖｅｒａｂｌｅｓｕｒｆａｃｅ；ｒｕｄｄｅｒａｎｇｌｅ
收稿日期：２０１７－０７－１７．网络出版日期：２０１８－０１－３０．
基金项目：国家自然科学基金项目（５１２０９２１３）；装备发展部共用技
术预研基金项目（６１４０２４１０１０１０１）；海军工程大学自主立
项（４２５５１７Ｋ２２７）．
作者简介：刘志华（１９８１－），男，副教授；
熊鹰（１９５８－），男，教授，博士生导师．通信作者：刘志华，Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｚｈｉｈｕａ９９１１１＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍ． 潜艇在水下航行时，要实现水平面上的航行方
向调整和垂直面上的航行深度调整，主要是通过操
纵艉舵、围壳舵（或者是艏舵）来完成的。打舵时，
舵上产生的水动力作用在潜艇艇体上，使潜艇产生
相应的运动变化和航行状态的调整，因此舵的水动力性能对潜艇的操纵性表现有直接的影响。舵的外形及水动力优化是船舶操纵性研究领域的热点问题［１－４］，而对于潜艇操纵面的优化设计，研究者和设计师在开展传统的艉部十子型舵水动力性能优化的基础上［５－６］，提出了Ｘ型舵、Ｈ型舵、木字舵等多种尾操纵面的样式和分离式操舵方法［７－１０］。由于潜艇在水下运动时，要兼顾航行的稳定性和机动性，所以国内外多型潜艇艉操纵面采用了稳定翼加转动舵的组合形式，前部的稳定翼与艇体固连，在提高潜艇万方数据