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半浸桨剖面出入水现象及其水动力特性数值分析
| 论文题名： | 半浸桨剖面出入水现象及其水动力特性数值分析 |
| 关键词： | 高速滑行艇;半浸式螺旋桨;杯型剖面;出入水现象;水动力特性;通气特性 |
| 摘要： | 随着近年来高速滑行艇研究热度的提高，半浸式螺旋桨装置以其在较高进速系数下的较高的效率、较小的附体阻力、无空化剥蚀等优势，得到了越来越广泛的应用。在半浸桨工作时，往往会伴随着自由面的抬升以及把空气卷入自由面之下进而在吸力面形成空气腔的通气现象。由于半浸桨特殊的工作环境，半浸桨的水动力性能预报一直是一大难题，并制约了半浸式螺旋桨的理论发展。而从叶剖面的形式上研究半浸桨，一方面能够直观地观察流场细节的变化，另一方面又减小了计算量，从而可以得到大量的计算结果以便于进行机理分析，是一种对半浸桨研究的极佳思路。 本文从半浸桨杯型剖面的入水过程入手，采用有限体积法（FVM方法），对其水动力特性以及通气特性进行分析。通过STAR-CCM+软件，分别建立半浸桨杯型剖面的入水机理模型和周期性出入水模型，并在验证了该方法的可行性的基础上通过改变半浸桨剖面出入水过程的剖面位置、斜流角、浸深比等参数的方式，对半浸桨杯型剖面出入水现象进行非常深入的水动力特性分析。整体上而言，所得到的计算结果符合半浸桨工作时的敞水特性规律，且得到的流场特性以及通气特性的机理分析结果可以支撑未来半浸桨基于水动力的性能预报和优化设计工作。计算的结果表明:增大进速系数的过程中，半浸桨剖面的出入水过程均会伴随着通气腔的收缩现象，使得其通气状态由完全通气状态过渡到部分通气状态，而横向力系数KX、效率η的峰值也均会因此对应到一个进速较大的位置。除此之外，浸深比和斜流角大小的改变，均会使得半浸桨剖面的出入水过程的敞水特性以及通气特性发生非常复杂的影响。 最后，在此基础上，本文提出一种适用于半浸桨叶剖面的参数化建模的方法，并通过改变半浸桨叶剖面的随边曲率和随边厚度的方式对其进行了变参数的水动力特性研究，并绘制了一套支撑半浸桨叶剖面设计的图谱。结果表明:增大杯型随边的曲率K1，增大随边厚度，会使得半浸桨的通气特性以及横向力系数KX有一定的提升，但是由于半浸桨剖面的压力面随边处负载的增大，会牺牲掉一部分的效率。为了在不同的半浸桨叶剖面模型中进行寻优，本文采用了TOPSIS优劣解距离法，通过计算优化目标同理想方案的欧式距离的大小，对54种半浸桨叶剖面的变参模型进行评价和方案优选，最终筛选出其中的两个方案为最优方案。 |
| 作者： | 常晟铭 |
| 专业： | 力学 |
| 导师： | 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： | 2022 |
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