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    基于勢流理論和粘性流理論的螺旋槳水動力性能分析

    日期:2016-06-16

    摘要:基于勢流理論和粘性流理論的螺旋槳水動力性能分析

    螺旋槳水動力性能預報經歷了升力線、升力面、面元法以及基于求解RANS方程的CFD方法幾個階段。升力線方法過于簡化導致求解精度不夠,升力面在升力線的基礎上有所進步但由于其是建立在薄翼理論基礎上的,不能精確地描述螺旋槳的幾何外形以至于不能正確的預報槳葉壓力分布和空泡性能,其計算精度也不能令人滿意。面元法能很好地處理槳轂、導邊及槳葉上的空泡影響,更精確地描述復雜的螺旋槳幾何外形,克服升力線和升力面的不足,對復雜的翼身結構作了更為精確的離散化處理,同時消除升力面理論中薄翼假設帶來的導邊奇性,更精確地預估導邊附近和剖面較厚處的壓力分布并能計及槳轂的存在及槳轂對螺旋槳性能和槳葉壓力分布的影響。升力面理論的應用日趨完善,面元法和N-S方程的方法已逐漸成為螺旋槳設計與水動力預報的主流,特別是能提供槳葉表面流動精細描述的CFD方法。雖然升力面和面元法能成功的預報螺旋槳在穩定流和非穩定流中的水動力性能,但是這些理論方法都是建立在勢流的基礎上,計算過程中忽略了粘性影響,因此在工程應用中需要對設計和計算結果進行粘性修正。由于勢流理論忽略粘性力導致我們在研究尺度效應對實船的影響、空泡與黏性流的非線性相互作用、螺旋槳槳葉表面邊界層和尾流渦的結構與力學機理等問題時都無法給出定量的計算結果,特別是勢流計算方法無法捕捉槳葉附近的細節流動如槳葉隨邊渦的結構,嚴重影響了螺旋槳性能的預報精度?;赗ANS方程的計算流體力學方法為上述問題的解決提供了有效地解決方案。

    求解RANS方程的商業軟件相繼出現并不斷完善,很明顯在螺旋槳水動力性能數值預報方面CFD方法已成為主流研究方向。對湍流模式、網格生成、近壁面模型等CFD關鍵問題不斷改進后,CFD代碼分析復雜流動的能力大幅提高。盡管如此,涉及物理模型的逼真度、數學理論以及如何選擇基準檢驗試驗驗證方案等復雜問題時,CFD方法還存在一定的不確定性,成為CFD研究領域中極具挑戰性的前沿課題。CFD發展至今,雖然RANS,LES和DES等粘流方法在流場預報方面開始起主導作用,但勢流理論的方法仍是螺旋槳設計和計算中最常用的工具。應該指出,緊急倒車工況下推進器的性能預報最具挑戰性,RANS方法不能模擬此時出現的強非定常瞬態分離流,新近發展的LES方法已能實現對緊急倒車敞水螺旋槳的模擬,目前正在向船后槳模擬發展。

    RANS粘流方法在螺旋槳水動力預報上有以下幾方面的應用:

    1)尺度效應

    螺旋槳敞水試驗必須滿足的相似準則是進速系數J、雷諾數Re、弗氏數Fr和相對潛深Hs都屬于限制參數,由于不能同時滿足全部相似準則只能根據試驗特點滿足主要的相似準則,造成模型試驗與實際流動情況的差異,這就產生了粘性尺度效應,實踐中有很多根據經驗得出的方法可用來修正實驗結果,但一般都不具有代表性。估計尺度效應的大小,尋求減小或修正尺度效應的方法成為螺旋槳水動力研究的一個重要課題。

    2)空泡與誘導脈動壓力

    螺旋槳空泡特性與其激振力、輻射噪聲、槳葉剝蝕及誘導脈動壓力等有直接聯系,在螺旋槳性能預報中非定常螺旋槳的空泡特性顯得尤為重要。各類空泡現象,如局部片空泡、片狀超空泡、泡空泡、云空泡和梢渦空泡等,所采用的數值計算方法主要有經驗方法、升力面方法面元法和歐拉方程組等勢流方法,以及帶單相和多相模型的RANS方程組和各種方法的耦合。此外,LES方法和DES方法對改善空泡起始和非定??张菽M精度的作用開始凸顯。但總體上講,除片空泡圖形外,其他空泡類型和空泡性能的模擬,目前的計算方法都存在不足之處目前,螺旋槳空泡與脈動壓力試驗技術進展不大,空泡現象和效應的量化測試和結果仍然很不理想。CFD的應用有望解決這個問題,在空泡計算方面,帶單相和多相模型的CFD方法以及氣泡動力學與粘流理論組合的空泡起始預報方法頗具發展潛力,而空泡誘導脈動壓力的預報仍無合適的數值方法,一種基于無粘可壓縮波動方程的預報方法正處于發展起步階段,或許有助于問題的解決。

    空泡誘導脈動壓力也是一個重要的研究課題,空泡誘導脈動壓力強烈依賴于空泡的間斷性,以及梢渦空泡的動力特性和空泡統計特征,故船體表面脈動壓力測量除了正確模擬伴流場之外,還必須伴隨相應的空泡觀測。盡管目前表面空泡區域的計算方法已較成熟,但其誘導脈動壓力仍不具備預報能力,而其他類型空泡誘導脈動壓力的數值預報則更成問題,故而現在的預報幾乎均靠模型試驗加上經驗方法來實現。

    3)非常規螺旋槳性能

    非常規螺旋槳主要指導管槳、部分導管槳、前或后定子槳、端板槳、割劃槳和Z形驅動槳等,特別是對半潛槳(SSP)與表面切入槳(SPP)以及吊倉式螺旋槳推進器(POD)的研究與應用。由于螺旋槳及其部件與船體相互作用的物理機制不是很清楚,因而常規預報方法在預報精度上存在很大的誤差,所以必須研究新的預報方法。CFD技術有助于了解相互干擾的物理機制,這方面的研究已經取得了很大突破。吊倉式螺旋槳推進器(POD)在近幾年發展迅速,與其相關的推進和空泡性能預報、非設計工況的水動力載荷及特殊應用如冰區航行、混合推進方式中的水動力學問題逐漸成為熱點研究課題。雖然CFD的方法在研究吊倉式螺旋槳推進器的空泡性能,包括吊艙姿態、伴流、大轉角和動態操作影響時表現出一定的優越性,但在研究其非設計工況下的性能如螺旋槳力和其他動力效應,包括槳葉水動力及其在吊艙室上誘發的大窄帶脈沖載荷和船的橫搖及航向穩定性等時CFD預報效果也十分有限,這個問題還亟待解決。

    4)船/槳/舵及附體相互干擾流動的水動力研究

    某些特殊情況下,舵表面會產生一個“負拉力”,如果能充分利用這種現象就能大大降低整船的阻力。另外,除了從舵設計方面考慮推進效率外,空化也都是需要考慮的問題。高功率集中的螺旋槳需要在運行效率和船體表面輻射壓力二者之間維持1種平衡,這種類型的槳經常產生強烈的、空化梢渦和尾渦現象,而這些渦的存在會破壞舵的表面,導致油漆脫落、表面腐蝕。除此之外,流動的切向分量從螺旋槳分離時對舵和螺旋槳葉片形成大攻角空化侵蝕。由于船體、螺旋槳、舵及其附體的共同存在,使得船體尾部流場變得異常復雜,已經不能簡單的用螺旋槳的敞水性能來衡量槳的水動力性能,需要綜合考察尾部流場狀況,權衡影響。意大利學者RobertoMuscari,AndreaDiMascio采用運動重疊網格技術對INSEANE1607螺旋槳實際工作環境進行的細致研究,將槳置于實際船體尾部,并且考慮了舵的影響。與此同時也計算了獨立槳的敞水性能,二者比較來看位于船體尾部的螺旋槳表面壓力分布與敞水槳表面壓力分布有很大差異,水動力性能發生了較大變化,由此看來,將船體、槳、舵及相關附體作為一個整體來研究是很有必要的。

     

    標簽: 螺旋槳(85) 船用螺旋槳加工(62)
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