螺旋槳性能預(yù)報(bào)的速度勢(shì)面元法研究.pdf

1、船舶螺旋槳的設(shè)計(jì)和性能計(jì)算一直是流體力學(xué)領(lǐng)域中非常重要的課題之一。由于螺旋槳理論設(shè)計(jì)計(jì)算方法具有傳統(tǒng)方法無(wú)可比擬的靈活性和適應(yīng)性，同時(shí)，通過(guò)理論計(jì)算方法對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力性能進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)報(bào)，對(duì)于避免不良設(shè)計(jì)所帶來(lái)振動(dòng)和噪聲，進(jìn)一步提高螺旋槳的效率、改善螺旋槳性能有著重要的意義。因此，本文從升力面理論入手，對(duì)應(yīng)用理論方法的螺旋槳性能預(yù)報(bào)進(jìn)行了較為深入的研究。文章的重點(diǎn)放在了應(yīng)用低階速度勢(shì)面元法預(yù)報(bào)螺旋槳性能及壓力分布上，并對(duì)現(xiàn)有的面元方法進(jìn)

2、行了改進(jìn)，提出了考慮局部流場(chǎng)特性的B樣條網(wǎng)格面元計(jì)算方法，同時(shí)改進(jìn)了現(xiàn)有的尾渦模型。 尾渦模型一直是螺旋槳理論設(shè)計(jì)和計(jì)算方法中最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一，尾渦模型的好壞直接決定了螺旋槳性能預(yù)報(bào)結(jié)果的準(zhǔn)確程度。但是由于尾渦問(wèn)題的復(fù)雜性，很難獲得精確的尾渦幾何形狀，基于這個(gè)原因，本文對(duì)升力面渦格法的傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)尾渦模型進(jìn)行了改進(jìn)，在解析尾渦模式的基礎(chǔ)上，提出了一種新的尾渦近似方法。在過(guò)渡區(qū)，尾渦在選定扇形截面上解析地求出，在其它處通過(guò)非線性插值

3、求得，計(jì)算中利用了解析尾渦的特點(diǎn)同時(shí)減少了計(jì)算量。根據(jù)流體連續(xù)性方程確定尾渦的收縮半徑，避免了梢渦半徑的不收斂性，為螺旋槳設(shè)計(jì)和非設(shè)計(jì)工況下螺旋槳性能計(jì)算提供了一種有效的尾渦近似計(jì)算方法。 在應(yīng)用低階速度勢(shì)面元法求解螺旋槳正問(wèn)題的過(guò)程中，槳葉和槳轂表面離散為四邊形雙曲面元，在每個(gè)面元上布置強(qiáng)度相等的源匯和偶極子，螺旋槳尾渦面也離散為布置等強(qiáng)度偶極子的四邊形雙曲面元。在充分考慮了橫向流動(dòng)對(duì)三維升力體的影響作用的前提下，對(duì)隨邊壓力相

4、等的非線性庫(kù)塔條件進(jìn)行了研究，而面元影響系數(shù)通過(guò) Morino 導(dǎo)出的解析公式計(jì)算得到。同時(shí)，應(yīng)用新的方法獲得尾渦模型，在采用經(jīng)驗(yàn)尾渦模型的基礎(chǔ)上，應(yīng)用動(dòng)量矩定理通過(guò)數(shù)值迭代并對(duì)個(gè)別尾渦參數(shù)進(jìn)行確定，使其更適合重載螺旋槳的性能。通過(guò)大量的計(jì)算實(shí)例，驗(yàn)證了本文計(jì)算方法及程序的有效性和適用性。 傳統(tǒng)的面元法均采用等半徑的網(wǎng)格劃分方式，但是這種處理方法并不能夠反應(yīng)螺旋槳表面的流場(chǎng)特性。因此，本文在考慮螺旋槳表面流場(chǎng)特性的前提下，采用B

5、樣條網(wǎng)格劃分方法對(duì)槳葉表面單元進(jìn)行剖分。弦向網(wǎng)格線在槳葉導(dǎo)邊處與外輪廓線正交，在隨邊處與流體的速度方向相一致。同時(shí)，在考慮流場(chǎng)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)尾渦模型進(jìn)行了改進(jìn)，使得尾渦在離開槳葉隨邊處的方向與當(dāng)?shù)亓鲃?dòng)方向基本一致。計(jì)算表明，基于流場(chǎng)特性的B樣條網(wǎng)格速度勢(shì)面元法不僅可以減少迭代次數(shù)，改善了程序的收斂性，而且在很大程度上提高了螺旋槳導(dǎo)邊附近的壓力預(yù)報(bào)精度，具有較好的數(shù)值穩(wěn)定性。 應(yīng)用開發(fā)的速度勢(shì)面元法計(jì)算程序?qū)Φ跖撏七M(jìn)器的水動(dòng)力性