基于CFD方法的全方向推进器水动力性能研究

摘要

全方向推进器可以产生任意方向的力，从而替代传统的槽道推进器，使潜器轻量化、小型化，同时改善操纵性能。按照螺距角的变化规律可分为定常和非定常两种工况，前者螺距角被锁定，后者可以周期性变化。
　　 本文运用CFD软件计算了螺旋桨的定常水动力性能，给出了不同位置处的压力和速度矢量图。对不同进速系数下螺旋桨的推力系数KT，扭矩系数KQ，效率η0，进行分析。说明螺距角不变是一种特殊的非定常情况。
　　 本文利用RNG K-ε模型，通过有限体积法和SIMPLE算法对非定常工况进行计算。通过轴向，侧向的推力系数变化，结合每对桨叶的静压、动压图，说明了螺距角周期性变化的影响。结果与尾涡分布图进行对照，验证了尾涡的无规律性。
　　 基于对周围流场稳定性的假设和瞬时流场的发展性原理。采用滑动网格模型和多参考系(MRF)模型对非定常工况进行计算。结果显示，MRF方法计算结果较稳定，滑动网格更接近真实值，但波动较大。
　　 分析了整体螺距角、周期螺距角、纵倾角对全方向推进器水动力性能的影响。结果显示，大的纵倾角可以获得更大的侧向力，周期螺距角的值对全方向推进器的水动力性能起决定性作用。
　　 以全方向推进器计算为例，对FLUENT中网格划分，截断误差积累，加速收敛，求解稳定性问题进行了单独讨论。结合桨叶的旋转，对多坐标系中的各分坐标系的相对运动进行了说明。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2全方向推进器的研究进展

1.3全方向推进器的工作原理

1.4论文主要工作

第2章定常水动力性能计算

2.1引言

2.2定常水动力控制方程

2.2.1连续性方程

2.2.2纳维埃-斯托克斯方程

2.3定常时全方向推进器水动力性能计算

2.3.1建立几何模型及计算域

2.3.2网格划分及边界条件设定

2.3.3压强和速度矢量图

2.3.4计算结果分析

2.4本章小结

第3章非定常水动力性能计算

3.1引言

3.2基本方程

3.3非定常时全方向推进器水动力性能计算

3.3.1建立几何模型及边界条件设定

3.3.2 udf程序控制

3.3.3压强，速度，尾涡分布图

3.3.4计算结果分析

3.4本章小结

第4章动网格和MRF方法对比分析

4.1引言

4.2滑动网格方法概述

4.2.1时间周期解法

4.2.2滑动网格方法控制原理

4.3滑动网格方法水动力计算

4.3.1可动区域中网格单元设置和加密问题

4.3.2 UDF对可动区域中旋转域的设定问题

4.3.3非耦合求解器计算RNG K-ε模型时的设置问题

4.3.4应特别注意的问题

4.4 MRF方法概述

4.4.1 MRF方法理论依据

4.4.2 MRF方法控制原理

4.5 MRF方法水动力计算

4.5.1毂-叶坐标系中的桨叶旋转问题

4.5.2真实坐标系中的公转问题

4.5.3求解的稳定性问题

4.6数值计算结果与分析

4.7本章小结

第5章螺距角和纵倾角对水动力性能的影响

5.1引言

5.2叶片螺距角控制原理

5.3螺距角对全方向推进器水动力性能的影响

5.4纵倾角对全方向推进器水动力性能的影响

5.5本章小结

结论

参考文献

致谢