大侧斜螺旋桨的水动力性能预报及船尾脉动压力的数值模拟

摘要

随着现代船舶业的发展，船舶吨位的不断增大，导致螺旋桨负荷不断加大，尾震现象不时发生。其危害是震裂船体构件、急剧增大噪声等。造成尾震的主要原因为螺旋桨在船体表面诱导的脉动压力。而大侧斜螺旋桨由于特殊的几何形状，其工作时使桨叶各半径切面不同时进入高伴流区，从而具有减小螺旋桨引起的非定常轴承力和表面张力、降低船尾振动和螺旋桨噪声等特性。因此，大侧斜螺旋桨得到了很大的应用。本文以大侧斜螺旋桨为研究对象，基于速度势的低阶面元法，采用FORTRAN程序对大侧斜螺旋桨水动力性能及脉动压力进行了研究。
　　 针对大侧斜螺旋桨特殊的几何形状，提出了一种“准余弦”的非常规网格划分方法。该方法避免了按常规网格划分大侧斜螺旋桨时，在桨叶的叶梢部分会出现较大侧斜度和扭曲度面元的缺点。
　　 采用常规和非常规的网格划分方法，计算了大侧斜螺旋桨的定常水动力性能。主要计算了推力、转矩系数，不同进速系数下的环量分布及不同半径剖面在同一进速系数下的压力系数，并与试验值进行了比较。结果表明，非常规网格的计算值更接近试验值。
　　 采用常规和非常规的网格划分方法，计算了大侧斜螺旋桨的非定常水动力性能。主要计算了大侧斜桨不同半径剖面在不同位置的压力分布及主桨叶在旋转一周时推力系数与转矩系数变化情况，并与Hoshino的计算结果进行了比较，推力和转矩系数的曲线在0°，180°度和360°左右有三个峰值，在150°和280°左右有两个谷值。
　　 采用常规和非常规的网格划分方法，计算了大侧斜螺旋桨的脉动压力。采用奇点法，将船体简化为一平板，计算了在流场中和平板上螺旋桨诱导的速度脉动变化、速度势脉动变化和压力系数的脉动变化，并采用傅立叶变换，将其分解为各阶脉动压力。两种方法计算结果对比表明，非常规网格计算得到的脉动压力更小，最后用非常规的网格划分方法计算了影响脉动压力的三个因素。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 绪论

1.1本文研究的目的和意义

1.2螺旋桨理论方法的研究进展

1.2.1螺旋桨升力线理论

1.2.2螺旋桨升力面理论

1.3.3螺旋桨面元法理论

1.3螺旋桨性能预报的研究现状

1.3.1螺旋桨的定常水动力性能预报

1.3.2螺旋桨非定常水动力性能

1.4螺旋桨诱导船尾脉动压力研究现状

1.5本文的主要工作

第2章 大侧斜螺旋桨的定常水动力性能预报

2.1面元法的基本公式

2.2螺旋桨的几何形状表达

2.3基本方程的数值解法

2.4等压库塔条件的应用

2.5桨叶表面的网格划分

2.6水动力的计算

2.7计算实例

2.7.1 P5363桨计算实例

2.7.2 P4679桨计算实例

2.8本章小结

第3章 大侧斜螺旋桨的非定常水动力性能预报

3.1积分方程的建立

3.2数值计算过程

3.3螺旋桨及尾涡的面元划分

3.4库塔条件的应用

3.5计算实例

3.6本章小结

第4章 大侧斜螺旋桨诱导的脉动压力计算

4.1引言

4.2平板的计算

4.2.1平板的模型

4.2.2平板对螺旋桨的影响

4.3流场中螺旋桨诱导的脉动压力的计算方法

4.3.1平板所在位置诱导速度的计算

4.3.2非定常情况下螺旋桨方程的求解

4.3.3奇点处的扰动速度势的求解

4.3.4平板面元的奇点强度的求解

4.3.5平板对螺旋桨影响的求解

4.3.6平板各点的在各个时刻的扰动速度势的求解

4.3.7流场中螺旋桨诱导脉动压力的计算

4.4数值计算结果

4.5影响脉动压力的平板各因素

4.5.1有无平板对脉动压力的影响

4.5.2平板距螺旋桨的距离对脉动压力的影响

4.5.3平板的尺度对脉动压力的影响

4.6本章小结

结论

参考文献

致谢

附录