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原文传递冰桨干扰下螺旋桨诱导激振力预报分析

论文题名：	冰桨干扰下螺旋桨诱导激振力预报分析
关键词：	冰级螺旋桨;冰桨干扰;激振力;数值模拟
摘要：	近年来，随着国际社会对北极航道以及极地资源开采关注度逐渐提升，冰区船舶的研究受到更多的重视并取得了相当的发展。冰区船舶航行的多工况性使其推进装置的工作环境较常规船舶有很大不同，特别是在破冰航行状态，碎冰沿船体表面下浸至船底，并滑入螺旋桨前流场中，与船艉部的螺旋桨发生相互作用，在螺旋桨上产生极端载荷，影响桨的水动力性能。由于碎冰的存在导致的流场不均匀，更加剧了螺旋桨诱导激振力的增大，由此将引起严重的噪声、振动及空泡问题。　　本文将冰级螺旋桨作为研究对象，采用 CFD数值模拟方法，对冰级螺旋桨多工况下水动力性能进行计算，并与模型试验值对比分析，以此来验证本文所提出研究方法的可行性与准确性。基于这种方法再开展冰阻塞条件下的螺旋桨诱导激振力数值计算，包括在不同进速系数与不同冰桨相对位置多个工况下，监测得到非定常轴承力和脉动压力的时域曲线，然后通过快速傅里叶变换将时域数据转换为频域数据以分析其频域特性。通过计算发现冰阻塞下，随进速系数的增大，轴承力脉动幅值逐渐增大，而脉动压力的脉动幅值逐渐减小。　　为了计算螺旋桨前方流场中的块状冰与螺旋桨无相对运动状态下的冰阻塞工况下的螺旋桨空化激振力，建立螺旋桨空化非定常计算方法，以 E779A桨为计算对象计算其空泡形态和螺旋桨水动力性能，将试验得到空泡结果和水动力性能结果与数值计算结果对比，从而确保了本文所采用的空泡数值模拟计算方法的准确性。而后采用本文的CFD方法进行冰级桨在冰阻塞下的空泡性能模拟，对桨叶表面上的空泡形态进行预报，并监测螺旋桨空化激振力，再与无空泡状态下的激振力对比分析，得到空泡的产生对螺旋桨诱导激振力的影响，最后对螺旋桨表面压力分布以及螺旋桨周围流场的分布情况进行分析。冰阻塞条件下，冰干扰区内的桨叶空化面积明显增大，螺旋桨水动力性能变差，空化激振力的脉动更强。　　为了研究当螺旋桨与冰发生切削时的螺旋桨激振力，本文采用了能够生成重叠网格的 Star-ccm+软件进行计算，计算中整个流域采用切割体网格，螺旋桨旋转计算域与冰表面计算域之间采用重叠网格方法进行数据传递，同时对螺旋桨和冰近表面处尤其是冰桨间隙处的网格进行了局部加密处理，来保证该区域流场细节的获得及数据信息的准确性。基于这种方法对切削工况下的螺旋桨激振力以及螺旋桨周围流场进行了预报。切削状态下的螺旋桨轴承力脉动较强，且高阶叶频下的脉动幅值仍旧不可忽略，而脉动压力的周期性减弱。　　为了更真实的模拟冰与螺旋桨相互作用的情况，在前面重叠网格方法的基础上，对冰块运动状态下的螺旋桨激振力进行了初步的探索。将冰设定一个速度，从远处逐渐接近螺旋桨，对此过程中螺旋桨激振力进行了数值预报，并通过流场预报来分析其变化的规律以及原因。通过计算发现随着冰块逐渐接近螺旋桨，轴承力的时均值和脉动范围都明显增大，而对脉动压力的影响较小。
作者：	孙盛夏
专业：	船舶与海洋工程
导师：	王超
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文