吊舱推进器推进及空泡性能的数值模拟

摘要

吊舱推进器(又称为POD推进器)是一种新型的推进方式，它悬挂在船的下部集推进与操纵装置于一体，省去了传统的推进器轴系和舵，优化了水动力性能，可以节省船内大量的空间，增加了船舶设计、建造和使用的灵活性。POD推进器的出现使得电力推进船舶的机动性、可靠性和运行效率等方面都有了突破性的发展，船舶电力推进技术的应用领域不断扩大，进入新世纪以来，吊舱推进器的发展相当迅速，市场潜力巨大。因此本论文应用势流理论面元法和CFD技术对吊舱推进器的推进及空泡性能进行了系统的研究，开展了吊舱推进器的定常及非定常水动力性能数值计算方法的研究，进行了粘性流场中吊舱推进器的性能模拟及流场分析，以面元法为基础分析了吊舱推进器的空泡性能，并对吊舱推进器的尾涡模型进行了探讨。
　　 针对拖式、推式这两种吊舱推进器形式，应用势流理论面元法，建立了吊舱推进器定常水动力性能的数值计算方法并编制了相应的FORTRAN程序。其中，螺旋桨及吊舱均作为升力体处理，螺旋桨与吊舱及支架之间的相互影响通过迭代计算来处理。计算并分析了吊舱对桨叶载荷分布的影响以及吊舱引起的伴流分布规律。研究表明：本文建立的数值方法能够较好地预报拖式及推式吊舱推进器的定常水动力性能。计算了吊舱和支架的诱导速度，结果显示在支架的正前方存在一高伴流区，由于吊舱的阻塞作用，拖式及推式吊舱推进器的螺旋桨载荷均增加。
　　 由于螺旋桨与吊舱的相互干扰使得吊舱推进器螺旋桨的尾涡形状发生了变化，经验模型已经不再适用，因此本文提出了吊舱推进器螺旋桨的简化解析尾涡模型。将螺旋桨的尾涡分为近尾流区和远尾流区，在近尾流区应用流量守恒和涡线与流线相切的原理确定尾涡半径及螺距角，远尾流区的半径和螺距保持为近尾流区末端值不变。根据支架正前方的速度场确定支架的尾涡偏转角，并通过迭代计算不断更新该尾涡，直到水动力性能收敛为止。计算结果与实验结果的比较可得新的尾涡模型可以较好的提高吊舱推进器推进性能的计算精度，具有良好的适用性。
　　 为了探讨鳍形附加节能装置在吊舱上应用的可行性，针对某型拖式吊舱推进器，计算分析了该推进器附加一个和两个鳍时的定常水动力性能，并与普通拖式吊舱推进器的定常水动力性能进行了比较，由比较结果可知，不论附加单鳍还是双鳍，均会使螺旋桨的水动力性能产生一定的提高，桨叶载荷增加。由单鳍与双鳍的比较可得，双鳍使螺旋桨的推力及效率提高的幅度更大，双鳍吊舱推进器中螺旋桨桨叶的载荷也比单鳍时高。但总的来说螺旋桨性能的提高较小，附加鳍主要的作用是产生附加的推力从而使得吊舱的阻力减小。
　　 讨论了吊舱推进器非定常水动力性能的计算方法，基于整体求解方法，不对吊舱推进器运转过程做任何假设，螺旋桨及吊舱之间的相互干扰通过螺旋桨旋转时相对位置变化引起的二者影响系数的改变加以考虑。将计算结果与速度迭代法的结果及CFD计算结果进行了比较来验证方法的适用性，计算分析了吊舱推进器在均匀与非均匀来流中的非定常水动力性能。计算结果表明，整体求解法可以精确的模拟吊舱推进器在均匀与非均匀来流中的性能，当桨叶经过高伴流区时，推力扭矩增加，由于单峰伴流的作用，螺旋桨非定常力及力矩的成分以一倍叶频为主。
　　 为分析偏转角及安装角对推进器性能的影响，基于FLUENT软件研究了吊舱推进器的定常及非定常水动力性能，采用程序语言与Gambit联合建模的方法建立了推进器的计算模型，结合滑移网格技术，分别计算了均匀来流时拖式吊舱推进器的水动力性能。计算分析了拖式吊舱推进器的轴向力、侧向力、垂向力及扭矩的变化趋势，并分析了吊舱推进器的流场特征及吊舱对该流场的影响。计算了斜航状态及安装角不同时吊舱推进器的水动力性能，分析了斜航角及安装角对性能的影响。
　　 为考察吊舱推进器螺旋桨的空泡性能，进行了吊舱推进器空泡性能的求解。空泡的计算采用条带迭代法，首先计算了三维机翼和均匀来流及非均匀来流中螺旋桨的空泡性能，并与实验结果进行了比较验证程序的可靠性，在此基础上，计算了均匀来流中吊舱推进器的非定常空泡性能，考察了螺旋桨旋转一周过程中空泡范围的变化。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 研究的目的和意义

1.2 吊舱推进器的产生

1.2.1 船舶电力推进的产生与发展历程

1.2.2 船舶电力推进系统的分类

1.2.3 船舶吊舱推进器的产生

1.3 吊舱推进器的应用

1.3.1 吊舱推进器的形式

1.3.2 近几年吊舱推进器应用的标志性成果

1.3.3 吊舱推进器的特种用途

1.4 吊舱推进器的研究现状

1.4.1 理论研究

1.4.2 实验研究

1.4.3 非设计工况的研究

1.5 本论文的主要研究内容

第2章 单桨吊舱推进器的定常性能研究

2.1 引言

2.2 面元法理论基础

2.2.1 基本方程的建立

2.2.2 基本方程的数值解法

2.2.3 等压库塔条件的应用

2.2.4 水动力性能的计算

2.2.5 摩擦阻力的计算

2.2.6 诱导速度的求解

2.3 螺旋桨敞水性能的验证计算

2.4 单桨吊舱推进器的定常性能计算

2.4.1 计算方法

2.4.2 螺旋桨-吊舱相互影响的迭代计算

2.4.3 吊舱推进器的定常水动力性能

2.4.4 处理方法对结果的影响

2.4.5 吊舱对推进器水动力性能的影响

2.5 本章小结

第3章 吊舱推进器的尾涡模型研究

3.1 引言

3.2 螺旋桨尾流场的数值计算

3.3 敞水螺旋桨的简化解析尾涡模型

3.3.1 尾涡半径的确定

3.3.2 尾涡螺距的确定

3.4 简化解析尾涡模型的适用性

3.4.1 简化尾涡模型的适用性

3.4.2 简化尾涡模型的影响因素分析

3.5 吊舱推进器的尾涡模型研究

3.5.1 简化解析尾涡模型在吊舱螺旋桨的应用

3.5.2 支架的尾涡模型

3.5.3 尾涡衰减的考虑

3.5.4 新型尾涡模型的有效性分析

3.6 本章小结

第4章 鳍对吊舱推进器性能的影响

4.1 引言

4.2 附鳍吊舱推进器的建模

4.3 单鳍吊舱推进器的水动力性能

4.3.1 单鳍吊舱桨盘面的诱导速度

4.3.2 单鳍吊舱推进器的定常水动力性能

4.4 双鳍吊舱推进器的水动力性能

4.4.1 双鳍吊舱桨盘面的诱导速度

4.4.2 双鳍吊舱推进器的定常水动力性能

4.5 鳍对吊舱推进器水动力性能的影响

4.5.1 不同鳍时吊舱的诱导速度比较

4.5.2 不同鳍时吊舱推进器的水动力性能比较

4.5.3 不同鳍时吊舱的径向环量比较

4.6 本章小结

第5章 吊舱推进器非定常性能计算方法研究

5.1 引言

5.2 吊舱推进器非定常性能计算的整体求解方法

5.2.1 基本方程的建立

5.2.2 数值求解方法

5.2.3 数值计算结果

5.3 吊舱推进器非定常性能计算的速度迭代法

5.3.1 计算方法

5.3.2 数值计算结果

5.4 非均匀来流中吊舱推进器的水动力性能研究

5.5 本章小结

第6章 粘性流场中吊舱推进器水动力性能研究

6.1 引言

6.2 CFD基本理论

6.2.1 控制方程

6.2.2 连续性方程

6.2.3 动量守恒方程

6.2.4 多参考系模型(MRF)方法

6.2.5 滑移网格模型(Moving Mesh)方法

6.2.6 湍流模型

6.3 拖式吊舱推进器的建模

6.3.1 几何模型的建立

6.3.2 吊舱推进器水动力性能计算控制域的建立

6.3.3 吊舱推进器的网格划分

6.3.4 边界条件的设定

6.4 拖式吊舱推进器的性能计算

6.4.1 拖式吊舱推进器的定常性能

6.4.2 拖式吊舱推进器的非定常水动力性能

6.4.3 吊舱推进器的流场特性分析

6.5 斜航状态下吊舱推进器的性能研究

6.6 安装角对吊舱推进器性能的影响

6.7 本章小结

第7章 吊舱推进器的空泡性能研究

7.1 引言

7.2 计算原理

7.2.1 积分方程

7.2.2 边界条件的确定

7.3 数值求解方法

7.3.1 基本方程的离散化

7.3.2 空泡厚度的求解

7.3.3 空泡的条带迭代求解

7.4 数值计算结果

7.4.1 机翼的空泡性能计算

7.4.2 螺旋桨的定常空泡性能计算

7.4.3 螺旋桨的非定常空泡性能计算

7.4.4 均匀来流中吊舱推进器的非定常空泡性能计算

7.5 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

附录