CN107640300A - 一种带波浪形尾缘的t型翼 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带波浪形尾缘的T型翼，包括支柱(3)和水翼(4)，支柱(3)为直立型支柱，支柱(3)与水翼(4)在水翼(4)的中线位置处垂直连接，水翼(4)和支柱(3)的尾缘均为波浪形结构，波浪形结构的波峰和波谷幅值相等，呈正弦曲线状，水翼(4)的尾缘相对于水翼中线为对称排列，支柱(3)与水翼(4)的尾缘相互对齐，水翼(4)俯视为前缘后掠型。T型翼的波浪形尾缘能够减小叶片背面侧的脱流及尾迹中的漩涡，使得流体更贴服于翼型表面，增大了失速角，增加升力，既能保持原有减摇性能不变，还具备减振降噪效果。

Description

一种带波浪形尾缘的T型翼

技术领域

本发明涉及一种T型翼，特别是一种带波浪形尾缘的T型翼。

背景技术

随着造船技术的不断发展，船舶设计者对于船舶舒适度与安全性的要求越来越高。船舶纵摇和垂荡会带来船舶垂向加速度的持续变化，而垂向加速度是船舶在航行中对适航性影响最大的因素之一。船上工作人员和乘客的晕船现象就是船舶航行过程中垂向加速度累积的结果，当垂向加速度达到一定程度时，还会对船舶结构强度提出严峻的挑战。所以，无论对于民用船舶还是军舰，减小在高速航行时的纵摇和垂荡都是非常必要的。

T型翼作为船舶附体，从最开始的研发到现在的应用目的非常明确，就是为了减小船舶在高速情况下的纵摇和垂荡。国外还有一些军用和民用船舶安装了带有航态控制系统的T型翼，并且对T型翼这种附体给出了积极的评价。随着21世纪的逐渐深入，高性能船舶不断向更高航速发起挑战，T型翼这种附体的作用也将越来越明显。

然而一般的T型翼在减小船舶航行时的垂向运动时，由于翼截面的阻塞作用较大，常常伴随着较大的振动和噪声，无疑是对于船体结构强度的一种疲劳破坏，对于安装在船首的测量仪器等也会造成较大干扰。因此开发出一种既能明显减少船舶航行中的垂向运动，噪声和震动也较小的减摇T型翼是非常有必要和十分有意义的。

发明内容

本发明的目的是提供一种既能保持原有减摇性能不变，还具备减振降噪效果的带波浪形尾缘的T型翼。

本发明的一种带波浪形尾缘的T型翼，包括支柱和水翼，支柱为直立型支柱，支柱与水翼在水翼的中线位置处垂直连接，水翼和支柱的尾缘均为波浪形结构，波浪形结构是波峰和波谷幅值相等的正弦曲线状，水翼的尾缘相对于水翼中线为对称排列，支柱与水翼的尾缘相互对齐，水翼俯视为前缘后掠型。

水翼的水翼展长L₁、中心翼型弦长b₁、边缘翼型弦长b₂、波浪形齿宽度c₁、波浪形齿长度l₁和波浪形齿高度h₁满足：

L₁＝ε₁·L_PP

其中，ε₁为展长因子，取值范围为1％～2％，L_PP为船舶的垂线间长；

b₂＝ε₂·b₁

其中，ε₂为后掠翼型弦长因子，取值范围为50％～100％；

c₁＝ε₃·b₁

其中，波浪形齿宽度c₁为水翼每个波浪型齿的波谷切线到波峰切线之间距离，ε₃为水翼齿宽度因子，取值范围为10％～30％；

l₁＝L₁/n₁

其中，波浪形齿长度l₁为水翼相邻两个波浪型齿的波谷到波谷之间距离，n₁为在展长方向上齿的数目，取值范围为8～20；

h₁＝f₁(c₁,Φ₁)

其中，Φ₁为水翼选用的翼型，波浪形齿高度h₁取决于波浪形齿宽度c₁和翼型Φ₁，函数f₁为：从翼型Φ₁后缘沿水翼翼型中弧线向翼型Φ₁前缘取c₁长度所截取翼型Φ₁截面的厚度，选用翼型Φ₁为NACA四位数字对称翼型。

支柱的支柱弦长b₃、支柱高H、波浪形齿长度l₂、波浪形齿宽度c₂和波浪形齿高度h₂满足：

H＝ε₄·L₁

其中，ε₄为支柱高度因子，取值范围为10％～30％；

l₂＝H/n₂

其中,波浪形齿长度l₂为支柱相邻波浪形齿的波谷到波谷之间距离，n₂为在支柱高度方向上齿的数目，取值范围为3～10；

c₂＝ε₅·b₃

其中，波浪形齿宽度c₂为支柱每个波浪型齿的波谷切线到波峰切线之间距离，ε₅为支柱齿宽度因子，取值范围为10％～30％；

h₂＝f₂(c₂,Φ₂)

其中，Φ₂为支柱选用的翼型，波浪形齿高度h₂取决于波浪形齿宽度c₂和翼型Φ₂，函数f₂为：从翼型Φ₂后缘沿支柱翼型中弧线向翼型Φ₂前缘取c₂长度所截取翼型Φ₂截面的厚度，选用翼型Φ₂为NACA四位数字对称翼型。

T型翼安装在船舶的艏部。

本发明的有益效果在于:带波浪形尾缘的T型翼有利于叶背面的漩涡顺利脱落与分离，进而得到减震降噪的效果，并且T型翼的波浪形尾缘能够减小叶片背面侧的脱流及尾迹中的漩涡，使得流体更贴服于翼型表面，增大了失速角，增加升力，既能保持原有减摇性能不变，还具备减震降噪效果。

附图说明

图1为本发明安装在船舶上的示意图

图2为本发明的外形及波浪形齿参数示意图

图3为本发明的俯视图

图4为本发明的侧视图

图5为本发明的水翼波浪型齿高度h₁确定函数f₁解析示意图

图6为本发明的支柱波浪型齿高度h₂确定函数f₂解析示意图

图7为普通翼型的CFD计算尾涡示意图

图8为本发明CFD计算尾涡示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行更详细的描述：

结合图1～5，本发明是一种新型仿生水翼，该水翼的特点就在于模仿了猫头鹰翅膀尾部的椭圆形锯齿结构，其在飞行时有利于减小飞行噪音及翅膀尾迹湍流，据此，将T型翼的尾缘部分设计为波浪形结构。

如图1所示，该T型翼一般安放在船舶1艏部1站～2站之间的位置，具体安装位置可根据舱室布置以及船体结构来进行适当调整。

如图2～4所示，T型翼的水翼4以及支柱3的尾缘均为波浪形结构，水翼4及支柱3的波浪形尾缘在尾缘处的排列情况如下：波浪形的波峰和波谷幅值均相同，呈正弦曲线状，并相对于水翼中线呈对称排列。所述的水翼的主体形状俯视为前缘后掠型，其形状由以下参数确定：T型水翼展长L₁，中心翼型弦长b₁，边缘翼型弦长b₂；所述支柱为直立型支柱，其形状由以下参数确定：支柱弦长b₃，支柱高H。T型翼的支柱3与水翼4在水翼4的中线位置处垂直连接，支柱3的尾缘与水翼4的尾缘相对齐。

所述的水翼的波浪形尾缘结构形状由以下变量来确定：选用的翼型Φ₁，波浪形齿高度h₁，波浪形齿长度l₁，波浪形齿宽度c₁；其中，波浪形齿高度h₁为水翼每个波浪型齿的沿纵中剖线8在波谷7切线齿根处的厚度；波浪形齿长度l₁为水翼4相邻两个波浪型齿的波谷5到波谷6之间距离；波浪形齿宽度c₁为水翼每个波浪型齿的波谷5切线到波峰10切线之间距离。

所述的支柱3的波浪形尾缘结构形状由以下变量来确定：选用的翼型Φ₂，波浪形齿高度h₂，波浪形齿长度l₂，波浪形齿宽度c₂。其中，波浪形齿高度h₂为支柱每个波浪型齿的沿纵中剖线16在波谷14切线齿根处的厚度；波浪形齿长度l₂为支柱3相邻两个波浪型齿的波谷12到波谷13之间距离；波浪形齿宽度c₂为支柱每个波浪型齿的波谷12切线到波峰15切线之间距离。

所述的一种带波浪形尾缘的T型翼，其特征在于：T型水翼展长L₁由以下公式确定：

L₁＝ε₁·L_PP

其中，ε₁为展长因子，取值范围为“1％～2％”，该因子具体大小根据本T型翼所适装的船的船型决定；L_PP为船舶的垂线间长。

所述的一种带波浪形尾缘的T型翼，其特征在于：中心翼型弦长b₁由以下公式确定：

边缘翼型弦长b₂由以下公式确定：

b₂＝ε₂·b₁

其中，ε₂为后掠翼型弦长因子，取值范围为“50％～100％”，该因子具体大小根据本T型翼所适装的船的船型决定。

所述的一种带波浪形尾缘的T型翼，其特征在于：支柱弦长b₃由以下公式确定：

支柱高H 11由以下公式确定：

H＝ε₄·L₁

其中，ε₄为支柱高度因子，取值范围为“10％～30％”，该因子具体大小根据本T型翼所适装的船的船型决定。

所述的一种带波浪形尾缘的T型翼，其特征在于：

(1)水翼的波浪形齿长度l₁的确定方法：

l₁＝L₁/n₁

其中,L₁为T型水翼的展长；n₁为在展长方向上齿的数目，取值范围为“8～20”。

(2)水翼的波浪形齿宽度c₁的确定方法：

c₁＝ε₃·b₁

其中，ε₃为水翼齿宽度因子，取值范围为“10％～30％”，该因子具体大小根据本T型翼所适装的船的船型决定。

(3)水翼的波浪形齿高度h₁的确定方法：

h₁＝f₁(c₁,Φ₁)

即水翼的波浪形齿高度h₁为波浪形齿宽度c₁与翼型Φ₁的函数，函数f₁的具体含义为：从翼型Φ₁后缘沿中弧线向翼型前缘取c₁长度所截取翼型Φ₁的厚度；选用翼型Φ₁为NACA四位数字对称翼型，具体型号则按照保证T型翼的水翼的结构强度的原则而选定；

所述的一种带波浪形尾缘的T型翼，其特征在于：

(1)支柱的波浪形齿长度l₂的确定方法：

l₂＝H/n₂

其中,H为支柱高度；n₂为在支柱高度方向上齿的数目，取值范围为“3～10”。

(2)支柱的波浪形齿宽度c₂的确定方法：

c₂＝ε₅·b₃

其中，ε₅为支柱齿宽度因子，取值范围为“10％～30％”，该因子具体大小根据本T型翼所适装的船的船型决定。

(3)支柱的波浪形齿高度h₂14的确定方法：

h₂＝f₂(c₂,Φ₂)

即支柱的波浪形齿高度h₂为波浪形齿宽度c₂与翼型Φ₂的函数，函数f₂的具体含义为：从翼型Φ₂后缘沿中弧线向翼型前缘取c₂长度所截取翼型Φ₂的厚度；选用翼型Φ₂为NACA四位数字对称翼型，具体型号则按照保证T型翼的支柱的结构强度的原则而选定。

如图5所示，为函数f₁的具体含义解析，从翼型Φ₁后缘沿水翼中弧线18向翼型Φ₁前缘取c₁长度所截取翼型Φ₁的厚度,即为波浪型齿波浪形齿高度h₁；

如图6所示，为函数f₂的具体含义解析，从翼型Φ₂后缘沿水翼中弧线19向翼型Φ₁前缘取c₂长度所截取翼型Φ₂的厚度,即为波浪型齿波浪形齿高度h₂；

本发明的一个实施例，依据模型试验，应用于垂线间长为3m的某排水型单体船上，安装本发明带波浪形尾缘的T型翼所采用的参数如下：为保障T型水翼的结构强度，水翼选用的翼型Φ₁以及支柱选用的翼型Φ₂均为NACA0020翼型；选取展长因子ε₁为1.53％，得到水翼展长为46mm，进而得到中心翼型弦长b₁为23mm；选取后掠翼型弦长因子ε₂为60％，得到边缘翼型弦长b₂为13.8mm，进而得到支柱弦长b₃为18.4mm；支柱高度因子ε₄选取为20％，得到支柱高H为9.2mm；选取展长方向上齿的数目n₁为10，得到水翼的波浪形齿长度l₁为4.6mm；选取水翼齿宽度因子ε₃为15％，得到水翼的波浪形齿宽度c₁为3.45mm，根据函数f₁，进而得到水翼的波浪形齿高度h₁为1.02mm；选取支柱高度方向上齿的数目n₂为5，得到支柱的波浪形齿长度l₂为1.84mm；选取支柱齿宽度因子ε₅为15％，得到支柱的波浪形齿宽度c₂为2.76mm，根据函数f₂，进而得到支柱的波浪形齿高度h₂为0.84mm。

如图3所示，为本发明的带波浪形尾缘的T型翼与普通T型翼的对比图，本发明的带波浪形尾缘的尾缘轮廓与普通T型翼的尾缘轮廓11进行对比可见，本发明的T型水翼与普通T型水翼在水平方向上的投影面积一样，T型翼的减摇效果与T型翼的面积密切相关，本发明的T型水翼与传统水翼相比，减摇效果相当。但由于波浪形尾缘的存在，相同航速下，会产生更小的振动和噪声。

如图4所示，为本发明的带波浪形尾缘的T型翼的侧视图，图中立柱也是具有带波浪形尾缘的T型翼，与水翼主体效果类似，在船舶进行转向时候，由于波浪形尾缘的存在，相比于普通的T型翼，会产生更小的振动和噪声。

如图7～8所示，通过本发明带波浪型尾缘的翼型与普通翼型进行CFD计算对比分析，更为直观的阐述本发明的减震降噪原理。图7为普通翼型CFD计算尾涡示意图，图8为本发明的带波浪型尾缘的翼型CFD计算尾涡示意图，两者在相同来流速度大小和方向，相同的网格条件，相同的物理及湍流模型，以及相同的求解器下进行数值模拟；为观察两者在攻角变化时周围流场的不同，求解的变量为两者的迎流攻角的变化，且每次的迎流攻角二者保持一致。如图7所示，一般的翼型在大攻角时候，由于逆压梯度的作用，边界层分离造成翼背面的低压区而产生漩涡。若漩涡不能顺利从翼背面进行剥离，则会产生剧烈震动以及噪声。如图8所示，本发明所设计的带波浪形尾缘的T型翼，是仿猫头鹰翅膀尾部的尾缘结构而进行设计的T型翼，由于尾部波浪形尾缘的存在，与普通翼型相比，相同的来流速度和攻角下，可以使叶背面的漩涡可以更加顺利脱落与分离，且T型翼的波浪形尾缘能够减小叶片背面侧的脱流及尾迹中的漩涡，使得流体更贴服于翼型表面。根据流体力学相关研究，较小的漩涡区域会带来较小的空泡和噪声；翼背面的漩涡的顺利脱落和运动则会带来翼本身的震动减小的效果，从另一角度来讲，这种效果增大了翼型的失速角。

该新型T型翼能应用于各种船舶上。采用这种波浪形尾缘结构的新型T型翼，不仅能达到普通T型翼的减摇效果，而且会减小高航速航行时空泡噪声的产生，从而达到减震降噪的效果，增强了高海况时舰艇的稳定性，提高了船舶耐用性及舒适度。

Claims (4)

1.一种带波浪形尾缘的T型翼，包括支柱(3)和水翼(4)，其特征在于：支柱(3)为直立型支柱，支柱(3)与水翼(4)在水翼(4)的中线位置处垂直连接，水翼(4)和支柱(3)的尾缘均为波浪形结构，波浪形结构是波峰和波谷幅值相等的正弦曲线状，水翼(4)的尾缘相对于水翼(4)中线为对称排列，支柱(3)与水翼(4)的尾缘相互对齐，水翼(4)俯视为前缘后掠型。

2.根据权利要求1所述的一种带波浪形尾缘的T型翼，其特征在于：水翼(4)的水翼展长L₁、中心翼型弦长b₁、边缘翼型弦长b₂、波浪形齿宽度c₁、波浪形齿长度l₁和波浪形齿高度h₁满足：

L₁＝ε₁·L_PP

其中，ε₁为展长因子，取值范围为1％～2％，L_PP为船舶的垂线间长；

<mrow> <msub> <mi>b</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>L</mi> <mn>1</mn> </msub> </mrow>

b₂＝ε₂·b₁

其中，ε₂为后掠翼型弦长因子，取值范围为50％～100％；

c₁＝ε₃·b₁

其中，波浪形齿宽度c₁为水翼(4)每个波浪型齿的波谷(5)切线到波峰(10)切线之间距离，ε₃为水翼齿宽度因子，取值范围为10％～30％；

l₁＝L₁/n₁

其中，波浪形齿长度l₁为水翼(4)相邻两个波浪型齿的波谷(5)到波谷(6)之间距离，n₁为在展长方向上齿的数目，取值范围为8～20；

h₁＝f₁(c₁,Φ₁)

其中，Φ₁为水翼(4)选用的翼型，波浪形齿高度h₁取决于波浪形齿宽度c₁和翼型Φ₁，函数f₁为：从翼型Φ₁后缘沿水翼翼型中弧线(18)向翼型Φ₁前缘取c₁长度所截取翼型Φ₁截面的厚度，选用翼型Φ₁为NACA四位数字对称翼型。

3.根据权利要求1所述的一种带波浪形尾缘的T型翼，其特征在于：支柱(3)的支柱弦长b₃、支柱高H、波浪形齿长度l₂、波浪形齿宽度c₂和波浪形齿高度h₂满足：

<mrow> <msub> <mi>b</mi> <mn>3</mn> </msub> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>1</mn> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>b</mi> <mn>2</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow>

H＝ε₄·L₁

其中，ε₄为支柱高度因子，取值范围为10％～30％；

l₂＝H/n₂

其中,波浪形齿长度l₂为支柱(3)相邻波浪形齿的波谷(12)到波谷(13)之间距离，n₂为在支柱高度方向上齿的数目，取值范围为3～10；

c₂＝ε₅·b₃

其中，波浪形齿宽度c₂为支柱(3)每个波浪型齿的波谷(12)切线到波峰(15)切线之间距离，ε₅为支柱齿宽度因子，取值范围为10％～30％；

h₂＝f₂(c₂,Φ₂)

其中，Φ₂为支柱(3)选用的翼型，波浪形齿高度h₂取决于波浪形齿宽度c₂和翼型Φ₂，函数f₂为：从翼型Φ₂后缘沿支柱翼型中弧线(19)向翼型Φ₂前缘取c₂长度所截取翼型Φ₂截面的厚度，选用翼型Φ₂为NACA四位数字对称翼型。

4.根据权利要求1所述的一种带波浪形尾缘的T型翼，其特征在于：T型翼(2)安装在船舶(1)的艏部。