全向直翼推进器水动力性能研究及优化

摘要

我国船舶工业正在蓬勃发展，对推进器的性能提出了更高的要求，而传统的摆线推进器因为结构复杂、制造困难、并且在摆动时存在较大的角加速度等原因，限制其进一步发展。全向直翼推进器结构简单，工作时桨叶匀速转动，不存在较大的角加速度，可有效弥补摆线推进器存在的问题，但是目前对全向直翼推进器水动力性能的研究较少。本文利用数值模拟的方法，对全向直翼推进器的水动力性能进行研究，结果表明其水动力性能优异，推进效率高。
　　论文首先根据全向直翼推进器的结构特点和运动规律，进行理论推导，得到其运动的数学模型。将该模型与机翼在非定常流体中的受力分析相结合，计算得到全向直翼推进器在不同进速系数下的推进效率。计算结果表明全向直翼推进器相较于摆线推进器和水平轴推进器而言有更高的推进效率。
　　其次，在结构化网格的基础上，利用滑移网格方法对全向直翼推进器的水动力性能进行数值模拟，得到不同时刻、不同转速和不同进速系数下的速度和压力云图，结果表明桨叶周围流场特性与速度攻角的大小密切相关。同时，从数值模拟的结果中可以得到主推力系数和扭矩系数，进而计算得到由数值模拟产生的推进效率。模拟结果与结算结果变化趋势一致，表明数值模拟的准确性。
　　再次，对不同时刻、不同转速和不同进速系数下的全向直翼推进器的空化性能进行数值模拟分析。结果表明速度攻角、转速和进速系数等参数的变化影响流场的流速、压强，进而影响空化性能。同时，空泡的产生和溃灭都会对流场的稳定产生较大影响。
　　最后，通过数值模拟对全向直翼推进器的结构参数进行优化，参数包括桨叶数目、桨叶翼型和两螺旋桨之间的距离。结果表明，随着桨叶数目的增加，推进效率降低，但是推进器工作的稳定性提高;随着桨叶翼型的变化，全向直翼推进器的推进效率先增大后减小，其空化性能也经历了先变优再变劣的过程;随着两螺旋桨之间距离的增加，两浆之间的相互影响减弱，推进效率也随之降低。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 全向直翼推进器研究意义

1．2 直翼推进器研究现状及应用

1．2．1 直翼推进器概述

1．2．2 直翼推进器的理论研究现状

1．2．3 直翼推进器的实验研究现状

1．2．4 直翼推进器的应用

1．3 选题背景及研究内容

1．3．1 选题背景

1．3．2 论文主要研究内容及章节安排

1．4 本章小结

第2章 全向直翼推进器理论分析及数值模拟方法研究

2．1 全向直翼推进器结构

2．2 全向直翼推进器的理论分析与数值计算

2．2．1 全向直翼推进器运动分析

2．2．2 全向直翼推进器数值计算

2．3 全向直翼推进器数值模拟方法研究

2．3．1 动网格模型

2．3．2 滑移网格模型

2．3．3 流场求解方法

2．4 本章小结

第3章 全向直翼推进器水动力性能研究

3．1 全向直翼推进器流场CFD模型

3．1．1 网格独立性检验

3．1．2 建立计算域

3．1．3 设定边界条件

3．2 数值模拟结果

3．2．1 推进器受力变化分析

3．2．2 流场云图分析

3．3 本章小结

第4章 全向直翼推进器空化性能研究

4．1 空化理论研究

4．1．1 空化类型

4．1．2 空化原理

4．2 空化数值模拟

4．2．1 工作时间对全向直翼推进器空化性能的影响

4．2．2 进速系数对全向直翼推进器空化性能的影响

4．2．3 转速对全向直翼推进器空化性能的影响

4．3 本章小结

第5章 全向直翼推进器结构参数优化

5．1 桨叶翼型对全向直翼推进器性能的影响

5．1．1 桨叶翼型对推进效率的影响

5．1．2 桨叶翼型对空化性能的影响

5．2 桨叶数目对全向直翼推进器性能的影响

5．2．1 桨叶数目对推进效率的影响

5．3 螺旋桨间距对推进效率的影响

5．4 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文

附录