详情

原文传递螺旋桨梢涡空化数值模拟

论文题名：	螺旋桨梢涡空化数值模拟
关键词：	船舶螺旋桨;梢涡空化;计算流体动力学;水动力特性;尾流场
摘要：	随着船舶动力需求的增加，螺旋桨所承受的水动力载荷越来越大，因此很多情况下螺旋桨空化现象难以避免。梢涡空化不仅会带来显著的空化噪声，还会在舵表面引起剥蚀，对船舶声隐身性有着非常不利的影响。改善螺旋桨尖端梢涡空化已经成为船舶螺旋桨理论设计及性能预报中的重要内容。因此，对于螺旋桨梢涡空化现象的研究和预报具有重要意义和工程价值。　　CFD（Computational Fluid Dynamics）技术的蓬勃发展和日益成熟使得其在船舶领域得到大规模应用。本文在CFD技术的基础上，采用STAR-CCM+软件对螺旋桨展开研究，主要分为以下几个方面: 　　1)以NACA16020椭圆水翼为例，计算了该水翼的水动力特性;分析了尾流场的速度、压力和涡量分布以及梢涡的产生和发展过程;预报了椭圆水翼面空化和翼尖梢涡空化，并与试验值相比来验证数值模拟结果的准确性;探究了入流速度对椭圆水翼面空化和翼尖梢涡空化的影响。　　2)以船用E779A螺旋桨为研究对象，采用大涡模拟方法和Schnerr-Sauer空化模型模拟螺旋桨尖端梢涡空化。在螺旋桨可能发生尖端梢涡空化的位置上使用螺旋管为体积控制，形成螺旋加密网格，对E779A螺旋桨的梢涡空化进行更为精细的数值模拟。实验和数值模拟的水动力结果表明:本文方法具有良好的数值预报精度，推力、扭矩系数和敞水效率较为相符。在此基础上进行基于螺旋加密网格的梢涡空化数值模拟，通过模拟结果可以看出:螺旋加密区的流动得到了更为精细的模拟，并清晰展示了加密梢涡的速度和压力分布。数值和实验的空化结果比较表明:本文方法能够较好地预测螺旋桨的空化，尤其是梢涡空化的形态和规律。　　3)以船用E779A螺旋桨为基础，对叶片几何形状相同但是叶片数量不同的四个螺旋桨展开了研究。对螺旋桨的敞水性能和空化现象进行了预报和分析，揭示了梢涡形成的机理。分析了不同叶数下螺旋桨片空化和尖端梢涡空化周围的流动特征，比较了叶数对桨叶表面环量的影响，对螺旋桨尾迹在尾流中的轴向速度、轴向涡量等进行了可视化分析，讨论了近尾迹尖端涡的形成和演化。研究结果表明，随着桨叶数目的增加，单个桨叶上的推力和扭矩会降低，但整个螺旋桨盘面上的推力和扭矩有明显增加，同时效率也会降低，此现象与试验值吻合;螺旋桨片空化和尖端梢涡空化随着叶数的增加均存在减少，桨叶表面环量随桨叶数增加而降低。
作者：	王雅楠
专业：	船舶与海洋工程
导师：	胡健;丁恩宝
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2021