螺旋桨水动力性能、空泡及噪声性能的数值预报研究

摘要

随着船舶向大型化和高速化发展,船舶螺旋桨的负荷越来越重,螺旋桨及其后的舵装置都不可避免会发生空泡现象,空泡现象的出现将会降低螺旋桨的性能,产生空化剥蚀,导致船体脉动压力剧增,形成空泡噪声,使螺旋桨噪声成为船舶主要的噪声源。目前舰船声隐身性能成为造船界普遍关注的问题,螺旋桨空泡噪声作为舰船三大噪声源之一已受到越来越多的关注。本论文采用面元法理论结合CFD数值模拟技术系统地对螺旋桨的水动力性能、空泡性能以及噪声性能进行了深入的研究,开展了定常及非定常螺旋桨水动力性能数值计算方法的研究,进行了粘性流场中螺旋桨以及桨-舵之间的性能模拟及流场分析;以面元法和CFD技术为基础分析了螺旋桨的空泡性能,并对螺旋桨的无空泡噪声及空泡噪声进行了探讨。
　　 论文首先系统地阐述了船舶螺旋桨理论的发展历程,总结了国内外对螺旋桨的水动力性能、空泡性能及噪声性能等的理论、试验研究现状和发展趋势,并分析了计算流体力学软件在船舶螺旋桨相关性能预报方面的应用及前景。
　　 采用理论方法系统地研究了均匀流场和非均匀流场中螺旋桨的水动力性能预报问题,并编制了相应的数值预报程序。其中螺旋桨的定常水动力性能采用基于速度势的低阶面元法预报,非定常水动力性能采用时域方法进行求解。同时,在计算过程中,为了加快计算进度,螺旋桨的数学模型采用主桨叶方法,其他桨叶上的未知量均可由主叶片按一定相位角推算出来,且非定常性能计算时的每一时间步长的计算方法与定常性能计算基本相同。
　　 选用整体迭代法结合等压库塔条件预报了螺旋桨在均匀流场和非均匀流场中的空泡性能。计算时用格林公式导出该问题的积分方程,以运动学边界条件、动力学边界条件、无穷远条件、等压库塔条件等作为方程的定解条件。论文中分析了网格划分方式、网格数以及尾涡模型对螺旋桨表面空泡分布预报结果的影响,同时把计算结果与实验结果进行了比较,验证程序的可靠性,在此基础上,计算了非均匀来流中螺旋桨的空泡性能,考察了螺旋桨旋转一周过程中桨叶空泡分布范围的变化。
　　 采用雷诺时均(RNS)方程的求解技术对粘性流场中螺旋桨敞水性能进行了计算研究。进行螺旋桨敞水性能计算时,把周期性边界条件引入到模型建立和参数设置中。在模型建立时根据螺旋桨桨叶的不同侧斜程度分别采用直切法、斜切法和样条曲线法;同时对螺旋桨单个桨叶通道内的流场和全桨叶通道的流场进行了数值模拟,得出不同桨叶数、不同侧斜度的螺旋桨水动力系数曲线以及不同剖面处的压力系数分布。通过对采用单通道方法与采用全通道方法所得结果的对比,找出周期性边界条件的优缺点,分析了把周期性边界条件运用于螺旋桨性能计算之中的可行性。同时论文中还对CFD不确定度的验证和确认作了相应阐述,分析了CFD模拟中存在的各种误差及不确定度。选用常规螺旋桨P4381作为研究对象,开展网格收敛研究,分析CFD模拟中网格误差及不确定度占主要成分的数值误差及不确定度,并将部分数值结果与试验数据对比进行有效性确认研究。结果表明:CFD模拟的验证研究工作能够将模拟中的部分误差及不确定度量化,从而为CFD工作者改进模拟结果的工作指明方向;计算结果的有效性确认研究则能够将模拟结果与基准数据作比较研究,增强模拟结果的可信度。
　　 采用滑移网格模型结合多块混合网格划分方法对螺旋桨非定常性能以及桨-舵干扰性能进行了模拟计算。在进行非定常计算时采用边界轮廓(Boundary Profiles)来进行伴流场的试验数据的输入,通过数值计算获得了不同时刻螺旋桨桨叶表面上的压力分布云图、某截面处的压力系数分布曲线、旋转一周中试验点的压力系数变化以及螺旋桨主桨叶在旋转一周时的推力系数和转矩系数,由结果分析可知数值计算结果与试验结果以及Hoshino计算结果具有较好的一致性。通过对粘性流场中螺旋桨、舵组合体的水动力性能计算分析,得出舵的存在会使螺旋桨的推力系数和转矩系数均有相应的增加、桨-舵间距的增大使桨-舵相互干扰作用减小、舵的存在使径向与切向速度分布呈现向上下伸展的分布形状而轴向速度恰恰相反等结论。
　　 以二维水翼为研究对象,进行翼型定常空泡流的数值模拟,主要分析空泡模型、湍流模型以及壁面函数的选取对计算结果的影响,并对不同空泡数情况下产生的空泡绕流现象与实验值进行了比较分析,通过分析结果获知在进行空泡计算时各种因素参数的合理选择。同时分析了绕三维水翼空泡流动的非定常特性,模拟了空泡的初生、发展、破灭、脱落的过程,获取了空泡发展、演变过程中机翼升力、阻力随时间变化的情况。把基于RANS/LES的混合方法DES(Detached Eddy Simulation)引入到螺旋桨的空泡性能计算中来,进而依据对机翼空泡计算结论选取合适的参数对螺旋桨的空泡现象进行数值模拟计算,分析螺旋桨在均匀和非均匀来流情况下的空泡产生规律。
　　 基于CFD软件中的声学模块对螺旋桨的噪声性能进行了数值预报和分析。分别计算了螺旋桨的无空泡噪声和空泡噪声,求解了不同位置处声压谱和声功率谱的特性、噪声随距离变化的衰减特性、不同的计算步长对计算结果的影响、来流速度的变化对频谱的影响以及空泡数变化对螺旋桨相关声谱特性的影响等等。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 螺旋桨理论方法和螺旋桨性能预报的研究进展

1.2.1 螺旋桨理论方法的进展

1.2.2 螺旋桨定常/非定常性能预报的研究进展

1.2.3 螺旋桨空泡性能研究

1.2.4 螺旋桨噪声性能研究

1.3 CFD方法简介及在桨、舵相关性能方面的应用

1.3.1 CFD方法的优点

1.3.2 CFD方法在国内的发展现状

1.3.3 CFD在桨、舵的相关性能方面的应用

1.4 论文的主要工作内容

第2章 基于面元法预报船舶螺旋桨水动力性能

2.1 螺旋桨定常水动力性能计算

2.1.1 基本方程的建立

2.1.2 螺旋桨几何形状的确定

2.1.3 螺旋桨表面及尾涡面的面元划分

2.1.4 基本方程的数值解法

2.1.5 定常面元法数值计算结果的粘性修正

2.1.6 定常面元法数值计算结果

2.2 螺旋桨诱导速度场的理论计算

2.3 应用面元法计算非定常螺旋桨水动力性能

2.3.1 基本公式

2.3.2 数值计算方法

2.3.3 非定常面元法数值计算

2.4 本章小结

第3章 基于整体迭代法预报螺旋桨空泡性能

3.1 引言

3.2 数学模型的建立

3.2.1 控制方程

3.2.2 边界条件的确定

3.3 数值求解方法

3.3.1 基本方程的离散化

3.3.2 空泡整体迭代求解

3.4 数值计算结果

3.4.1 均匀流场中的螺旋桨空泡性能

3.4.2 非均匀流场中螺旋桨的空泡性能

3.5 本章小结

第4章 CFD方法预报螺旋桨敞水性能及CFD方法不确定度分析

4.1 概述

4.2 雷诺时均N-S方法的基本理论

4.2.1 控制方程

4.2.2 离散方法

4.2.3 基于SIMPLE算法的流场数值计算

4.2.4 湍流流动及其数学模型

4.3 螺旋桨的敞水性能数值计算

4.3.1 螺旋桨模型的建立

4.3.2 网格的划分

4.3.3 边界条件的设置

4.3.4 数值计算结果

4.4 CFD不确定度分析

4.4.1 CFD不确定度概念及理论基础

4.4.2 验证

4.4.3 确认

4.4.4 螺旋桨推力的不确定度分析

4.5 本章小结

第5章 基于滑移网格法预报螺旋桨非定常性能以及桨舵干扰性能

5.1 概述

5.2 移动区域边界条件的选取

5.3 螺旋桨的非定常性能数值计算

5.3.1 计算的前处理

5.3.2 边界条件的设置

5.3.3 计算结果分析

5.4 桨-舵相互干扰性能的数值计算

5.4.1 模型建立

5.4.2 网格的划分与边界条件设置

5.4.3 计算结果对比分析

5.5 本章小结

第6章 螺旋桨空泡性能的数值预报研究

6.1 概述

6.2 数值方程和物理模型

6.2.1 控制方程

6.2.2 湍流模型

6.2.3 空化模型

6.2.4 壁面函数的选择

6.3 二维翼型的定常空泡性能计算

6.3.1 计算的前处理

6.3.2 计算结果及分析

6.4 翼型的非定常空泡性能计算

6.4.1 计算的前处理

6.4.2 计算结果及分析

6.5 螺旋桨空泡性能数值计算

6.5.1 计算的前处理

6.5.2 网格划分及参数设置

6.5.3 计算结果及分析

6.6 本章小结

第7章 螺旋桨噪声性能的数值预报研究

7.1 概述

7.2 声学模块

7.3 计算模型选取与参数设置

7.4 无空泡噪声预报

7.4.1 声压脉动特性

7.4.2 声压谱特性

7.4.3 声功率谱密度特性

7.4.4 噪声的衰减特性

7.4.5 速度对频谱的影响

7.4.6 时间步长对计算结果的影响

7.5 空泡噪声预报

7.5.1 空泡的存在对声压脉动特性的影响

7.5.2 空泡的存在对声压谱的影响

7.5.3 空泡的存在对声功率密度谱的影响

7.5.4 空泡数的改变对噪声相关特性的影响

7.6 实例计算分析

7.6.1 计算模型

7.6.2 计算结果分析

7.7 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢