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水下航行器螺旋桨尺度效应的研究
| 论文题名： | 水下航行器螺旋桨尺度效应的研究 |
| 关键词： | 水下航行器;Kappel螺旋桨;尾流速度场;尾涡结构;尺度效应 |
| 摘要： | 随着人类对海洋更深一步的探索，以及对能源的利用、节能减排的重视，一款高效率的推进器对于减少船舶的燃油消耗或是提升深海潜水器的续航能力十分重要。特殊叶梢螺旋桨是一种通过改变桨叶尖端造型来提升螺旋桨性能的螺旋桨，叶梢弯折向压力面的尾流收缩叶梢有载螺旋桨(ContractedLoadedTipPropeller，CLT)已有较丰富的研究，但弯折向吸力面的特殊叶梢螺旋桨—Kappel螺旋桨的研究还较少。Kappel螺旋桨是一种非平面螺旋桨，其特殊的端板弯折结构能够降低叶片尖端绕流，提高螺旋桨效率。研究不同的端板设计对螺旋桨的性能影响、不同端板设计的Kappel螺旋桨的尺度效应，对Kappel螺旋桨后续的优化设计以及应用于不同尺度的航行器设计将十分有意义。 本文首先对CLT螺旋桨P1727进行仿真分析，采用计算流体力学(CFD)技术，分析不同网格基础尺寸、不同湍流模型以及转捩模型对计算结果的影响，通过与试验数据对比，发现转捩模型的加入能够使仿真结果更加准确，确定了模型尺度下端板螺旋桨性能仿真的较优设置。对Kappel螺旋桨不同尺度下的网格收敛性做分析，确定不同尺度下合适研究Kappel螺旋桨尺度效应的网格设置。 采用三次B样条曲线方法对Kappel螺旋桨的纵倾分布进行设计，设计了五型不同端板弯折程度的Kappel螺旋桨与一型无端板的对照组螺旋桨。采用CFD方法对六个螺旋桨的敞水性能进行分析，研究了推力系数与转矩系数沿螺旋桨径向分布，发现弯折程度过小或过大的端板螺旋桨均不利于整体效率的提高，端板弯折程度的增加会提高螺旋桨在中高进速下的推力输出能力，但也会使螺旋桨的压力向端板弯折处集中。随后研究了端板变化对螺旋桨的尾流速度场、压力分布、尾涡结构的影响，发现随着端板弯折程度的增加，螺旋桨的尾流融合趋势延后，螺旋桨表面的压力分布向端板处集中。中等弯折程度的螺旋桨能有效降低螺旋桨尾流的速度，在设计载荷系数下提高螺旋桨效率2%。根据仿真结果总结出了较优的端板设计范围与较优的Kappel螺旋桨的尾流场分布、压力分布形式。 进一步对两型不同弯折程度的Kappel螺旋桨与一型对照组螺旋桨在不同尺度下的敞水性能进行计算，对比三个螺旋桨的尺度效应，发现端板螺旋桨要比无端板的螺旋桨转矩系数的尺度效应要大，随着端板弯折程度的增加，其转矩系数的尺度效应越大，而在推力系数、效率的尺度效应上未有明显的差异。最后，完成端板螺旋桨的尾流场、压力分布的尺度效应研究，总结归纳尾流速度场、压力分布受尺度变化的影响规律。 |
| 作者： | 陈历万 |
| 专业： | 船舶与海洋工程 |
| 导师： | 陈振纬 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 浙江大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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