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原文传递螺旋桨梢涡空化尺度效应数值研究

论文题名：	螺旋桨梢涡空化尺度效应数值研究
关键词：	船用螺旋桨;梢涡空化现象;尺度效应;预报模型
摘要：	近年来随着船舶发展趋于大型化和高速化，船用螺旋桨的负荷不断增加，螺旋桨空化现象难以避免，空化诱导产生的空蚀、辐射噪声等问题逐渐成为关注焦点。由于实桨空化数据稀缺且相关经验匮乏，目前针对螺旋桨空化问题的研究多基于模型尺度展开。但鉴于模型桨与实尺度桨间雷诺数区别较大，二者流动现象不可避免地存在差异，因此空化模型试验结果往往无法直接应用于实尺度桨。本文基于数值模拟方法研究螺旋桨空化尺度效应，探讨雷诺数及气核参数对螺旋桨空化性能的影响，并针对梢涡空化现象分析不同雷诺数下梢涡初生空化数，验证考虑尺度效应的梢涡空化初生预报模型，总结各因素对螺旋桨空化现象以及梢涡空化初生的影响规律，为实际工程应用中螺旋桨空化初生预报及预报结果外推提供一定的理论基础。　　论文首先针对标准桨PPTC桨开展数值验证。首先开展敞水性能数值计算，对比官方试验数据确定后续数值计算所采用的网格密度及湍流模型；在此基础上开展均匀来流下螺旋桨空化性能数值模拟，对比梢涡网格集中加密方法和高精度湍流模拟方法对梢涡空化的捕捉程度。结果表明对梢涡网格进行集中加密可以有效捕捉梢涡空化的脱泄；当前网格密度下RANS方法相比DES方法对梢涡的模拟略逊一筹，但数值结果稳定可靠；梢涡空化的发生会导致梢涡半径有所增大，同时强度明显下降。　　随后针对不同尺度螺旋桨开展空化尺度效应研究。首先开展螺旋桨敞水性能尺度效应研究，确定合适的边界层网格划分方案；在此基础上，针对典型工况下螺旋桨空化现象开展空化性能尺度效应研究，探讨不同雷诺数(尺度)以及气核参数(气核密度、气核直径)对螺旋桨水动力性征参数、空化形态、梢涡强度、压力脉动等参数的影响。结果表明针对不同尺度螺旋桨展开数值研究时，需考虑螺旋桨边界层厚度随尺度发生变化所带来的影响；空化体积随着雷诺数Re的增大而增大，并且高雷诺数下梢涡耗散现象更为明显；随着气核密度的增长，各类空化范围均呈现先上升后下降的趋势，但回落程度有所区别，当气核密度达到一定数量时，气核直径对空化数值结果影响基本可以忽略不计。　　最后开展螺旋桨梢涡空化初生尺度效应研究。基于不同雷诺数下的空化数值计算结果，采用三种空化初生判别标准判断典型工况下的螺旋桨梢涡空化初生数，在此基础上选择恰当的判别方法进一步研究梢涡空化初生尺度效应问题，探求空化初生预报模型(McCormick模型)中雷诺数幂指数m的取值范围，并尝试分析气核参数对螺旋桨梢涡空化初生预报的影响。结果表明梢涡空化初生数随雷诺数的上升而单调增加，不同雷诺数下空化初生数拟合结果发现McCormick模型中雷诺数幂指数m为0.118，幂指数取值一定程度上随雷诺数Re的上升而有所下降。
作者：	聂容刚
专业：	船舶与海洋工程
导师：	李子如
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021