转柱现象分析

在来流速度 中以角速度 旋转的圆柱(半径R)，在理论上能产生的势流速度环量 ，相应的升力系数 ，升力系数随转速比 线性增加。而实验测得具有端板的转柱升阻力系数与转速比的关系曲线如图1所示，虽然与势流理论的估计有很大差异，但转柱升力系数随转速比的增大仍可达到很高的数值。而通过比较可见，对转柱现象的理论分析是必须计及粘性效应的。圆柱旋转后，在一侧(旋转方向与来流方向相同)可推迟边界层分离，而在另一侧(壁面运动方向与来流相反)反而要提前发生分离，所以在旋转圆柱的绕流中仍然会有很大的分离区存在。如图2所示，假定转柱前驻点下移到O点(对应的辐角为 )，上半表面上分离点位于A点(相对于前驻点的辐角为 )，下半表面上分离点位于B点(相对于前驻点的辐角为 )。对确定的这些点的角度，则相应的速度环量可以认为是 ，并可求出转柱上下表面速度分布 和 ：

式中 是圆柱未旋转时表面上理想流体绕流速度分布。根据所给出的速度分布式，便可作边界层计算确认驻点和分离点位置，这个问题可通过迭代计算解出，图2中即有计算结果。由此求得的升力系数曲线(图1中虚线)，则与试验比较接近，以上给出的对转柱现象分析可认为是比较合理的。2

转柱舵单独的转柱虽然也能起到船用舵的作用，而通常是将转柱放在流线型舵的前面构成转柱舵(图3)。转柱旋转时对流体输入能量和产生速度环量，在大攻角时还能推迟边界层分离，甚至可使操舵角高达90°时也继续增加升力。一些船模试验表明，安装这样的转柱舵后，可大大改善船舶操纵性，与普通舵的回转性能比较，船舶的回转直径能显著减小，甚至用小的操舵角也可获得良好的船舶回转性能。据报道，最早将转柱舵应用于实船是在英国的一艘拖轮上(The Naval Architect，Oct．1972)，该拖轮长24.5m，宽6m，吃水约2m，排水量200t，安装的转柱舵的转柱转速可在600~900r/min范围内变化，转柱直径为15.25cm。海上实船试验结果表明：拖轮全速航行时，操舵角80°，转柱转速600r/min，操舵速度4°/s时，该拖轮能在12.2m的圆周上回转。船速降低到4.9kn时，使用操舵角为40°，转柱转速为900r/min时，其回转直径约为船长的2倍，回转时间不超过2.5min。全速时进行紧急刹车，使用转柱舵后拖轮能在72s时间内绕船长为直径的圆周上回转。这些数据，表明转柱舵有很好的实用价值。在随后的研究中，我们国内也完成了转柱舵的一系列试验研究和实船上应用，其结果也指出釆用转柱舵在满舵角时的回转直径为船长的2~3倍，比流线型舵的值减少约1/3~1/2倍船长，效果显著。2

转柱舵的设计转柱舵的研究从试验到实船应用，已取得重要成果，对转柱舵的设计中一些重要参数的选择也已有了比较一致的认识，例如：

(1)关于转柱的速度效应，已发现转注的转速比 左右( )，转柱舵能获得最大升力，对光滑转柱再增大转速比时，升力不再增加。设计时取 是必要的，但在高速船中过大的转速比则需考虑发生空化现象的危害。

(2)转柱表面粗糙对提高转柱升力有一定作用，对转柱表面轴向开槽的粗糙面，大约能提高5%的升力，并能增大转速比到 继续增大升力。

(3)转柱与舵叶间隙增大，使升力降低。间隙与转柱直径的比值从0.02%增加到12.5%时，试验中最大升力下降7%左右，故将转柱与舵叶之间的间隙比值控制在0.05%左右是合理的数据。

(4)综合考虑转柱驱动功率的情况下，对转柱舵的展弦比取1.0~1.5是比较合适的。

(5)转柱直径应小于舵叶最大厚度，从一些试验看。取转柱直径与舵叶最大厚度的比值为60%~75%都有较好效果。2