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非均匀来流下螺旋桨的流固耦合特性分析
| 论文题名： | 非均匀来流下螺旋桨的流固耦合特性分析 |
| 关键词： | 螺旋桨;流固耦合;非均匀流场;水动力性能;桨叶变形 |
| 摘要： | 目前，螺旋桨在船舶中应用非常广泛，但在实际工作中桨叶产生变形可能会造成性能的降低。近年来，对螺旋桨的流固耦合研究受到广泛关注。本文利用ANSYS-workbench，采用有限元和计算流体力学相结合的方法，对螺旋桨进行流固耦合分析。 本文首先进行水动力数值方法验证，先对网格无关性进行了验证，通过对比不同尺寸旋转流场的计算结果，选择了合适的旋转流场尺寸，并划分了四套不同密度的网格进行结果对比，选择了较为精确的网格尺寸进行后续计算；再对比DES模型和k-?模型的计算结果选择了k-?模型进行后续的计算；最后与文献结果进行对比，验证本文数值方法的正确性。 然后进行均匀来流下的螺旋桨变形特征分析，为研究弹性螺旋桨的变形特性，对不同直径、不同杨氏模量螺旋桨的水动力性能及桨叶变形进行了不同工况的计算，并对变形量进行了无量纲分析。通过文献结果计算表明无量纲分析的方法是合理且正确的，同时还分析了尺寸效应对于螺旋桨性能的影响，发现效率受尺寸效应的影响较大。最后通过对单、双向流固耦合变形量对比，发现进速系数对变形量的影响较大，并且呈现进速系数增加变形差异减小的趋势，产生此变形差异的原因是单向流固耦合未考虑结构对流体的影响。 接着进行非均匀来流下的螺旋桨水动力分析，对不同来流下螺旋桨进行了水动力计算，首先分析了标称伴流和实效伴流的速度分布，实效伴流受到进速系数的影响较大，在低进速系数下抽吸作用明显；然后分析了船桨之间的压力分布，越靠近螺旋桨中轴压力变化越剧烈；最后计算了螺旋桨的非定常性能，与敞水对比发现船桨相互作用对推力和扭矩影响较大，对效率影响较小。 最后进行非均匀来流下螺旋桨的流固耦合计算，首先分析变形对非定常性能的影响，发现推力系数和扭矩系数升高但效率有所降低；然后分析不同时刻和叶面上不同位置的响应，桨叶上各点的动态响应受到非均匀流场的影响较大；接着分析螺旋桨的流固耦合振型，发现未出现高阶振型；最后对比均匀流场和非均匀流场的结果，发现非均匀流场的非均匀性对变形有较大影响。 通过本文对螺旋桨流固耦合的计算及分析，得到了螺旋桨流固耦合的相关结论，为螺旋桨的流固耦合计算提供了参考。 |
| 作者： | 敖翔 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 周军伟 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 哈尔滨工业大学 |
| 学位年度： | 2021 |
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