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    基于势流理论和粘性流理论的螺旋桨水动力性能分析
    更新时间:2016-06-16 发布:舟山市龙叶螺旋桨制造有限公司

    螺旋桨水动力性能预报经历了升力线、升力面、面元法以及基于求解RANS方程的CFD方法几个阶段。升力线方法过于简化导致求解精度不够,升力面在升力线的基础上有所进步但由于其是建立在薄翼理论基础上的,不能精确地描述螺旋桨的几何外形以至于不能正确的预报桨叶压力分布和空泡性能,其计算精度也不能令人满意。面元法能很好地处理桨毂、导边及桨叶上的空泡影响,更精确地描述复杂的螺旋桨几何外形,克服升力线和升力面的不足,对复杂的翼身结构作了更为精确的离散化处理,同时消除升力面理论中薄翼假设带来的导边奇性,更精确地预估导边附近和剖面较厚处的压力分布并能计及桨毂的存在及桨毂对螺旋桨性能和桨叶压力分布的影响。升力面理论的应用日趋完善,面元法和N-S方程的方法已逐渐成为螺旋桨设计与水动力预报的主流,特别是能提供桨叶表面流动精细描述的CFD方法。虽然升力面和面元法能成功的预报螺旋桨在稳定流和非稳定流中的水动力性能,但是这些理论方法都是建立在势流的基础上,计算过程中忽略了粘性影响,因此在工程应用中需要对设计和计算结果进行粘性修正。由于势流理论忽略粘性力导致我们在研究尺度效应对实船的影响、空泡与黏性流的非线性相互作用、螺旋桨桨叶表面边界层和尾流涡的结构与力学机理等问题时都无法给出定量的计算结果,特别是势流计算方法无法捕捉桨叶附近的细节流动如桨叶随边涡的结构,严重影响了螺旋桨性能的预报精度。基于RANS方程的计算流体力学方法为上述问题的解决提供了有效地解决方案。

    求解RANS方程的商业软件相继出现并不断完善,很明显在螺旋桨水动力性能数值预报方面CFD方法已成为主流研究方向。对湍流模式、网格生成、近壁面模型等CFD关键问题不断改进后,CFD代码分析复杂流动的能力大幅提高。尽管如此,涉及物理模型的逼真度、数学理论以及如何选择基准检验试验验证方案等复杂问题时,CFD方法还存在一定的不确定性,成为CFD研究领域中挑战性的前沿课题。CFD发展至今,虽然RANS,LES和DES等粘流方法在流场预报方面开始起主导作用,但势流理论的方法仍是螺旋桨设计和计算中常用的工具。应该指出,紧急倒车工况下推进器的性能预报具挑战性,RANS方法不能模拟此时出现的强非定常瞬态分离流,新近发展的LES方法已能实现对紧急倒车敞水螺旋桨的模拟,目前正在向船后桨模拟发展。

    RANS粘流方法在螺旋桨水动力预报上有以下几方面的应用:

    1)尺度效应

    螺旋桨敞水试验必须满足的相似准则是进速系数J、雷诺数Re、弗氏数Fr和相对潜深Hs都属于限制参数,由于不能同时满足全部相似准则只能根据试验特点满足主要的相似准则,造成模型试验与实际流动情况的差异,这就产生了粘性尺度效应,实践中有很多根据经验得出的方法可用来修正实验结果,但一般都不具有代表性。估计尺度效应的大小,寻求减小或修正尺度效应的方法成为螺旋桨水动力研究的一个重要课题。

    2)空泡与诱导脉动压力

    螺旋桨空泡特性与其激振力、辐射噪声、桨叶剥蚀及诱导脉动压力等有直接联系,在螺旋桨性能预报中非定常螺旋桨的空泡特性显得尤为重要。各类空泡现象,如局部片空泡、片状超空泡、泡空泡、云空泡和梢涡空泡等,所采用的数值计算方法主要有经验方法、升力面方法面元法和欧拉方程组等势流方法,以及带单相和多相模型的RANS方程组和各种方法的耦合。此外,LES方法和DES方法对改善空泡起始和非定常空泡模拟精度的作用开始凸显。但总体上讲,除片空泡图形外,其他空泡类型和空泡性能的模拟,目前的计算方法都存在不足之处目前,螺旋桨空泡与脉动压力试验技术进展不大,空泡现象和效应的量化测试和结果仍然很不理想。CFD的应用有望解决这个问题,在空泡计算方面,带单相和多相模型的CFD方法以及气泡动力学与粘流理论组合的空泡起始预报方法颇具发展潜力,而空泡诱导脉动压力的预报仍无合适的数值方法,一种基于无粘可压缩波动方程的预报方法正处于发展起步阶段,或许有助于问题的解决。

    空泡诱导脉动压力也是一个重要的研究课题,空泡诱导脉动压力强烈依赖于空泡的间断性,以及梢涡空泡的动力特性和空泡统计特征,故船体表面脉动压力测量除了正确模拟伴流场之外,还必须伴随相应的空泡观测。尽管目前表面空泡区域的计算方法已较成熟,但其诱导脉动压力仍不具备预报能力,而其他类型空泡诱导脉动压力的数值预报则更成问题,故而现在的预报几乎均靠模型试验加上经验方法来实现。

    3)非常规螺旋桨性能

    非常规螺旋桨主要指导管桨、部分导管桨、前或后定子桨、端板桨、割划桨和Z形驱动桨等,特别是对半潜桨(SSP)与表面切入桨(SPP)以及吊仓式螺旋桨推进器(POD)的研究与应用。由于螺旋桨及其部件与船体相互作用的物理机制不是很清楚,因而常规预报方法在预报精度上存在很大的误差,所以必须研究新的预报方法。CFD技术有助于了解相互干扰的物理机制,这方面的研究已经取得了很大突破。吊仓式螺旋桨推进器(POD)在近几年发展迅速,与其相关的推进和空泡性能预报、非设计工况的水动力载荷及特殊应用如冰区航行、混合推进方式中的水动力学问题逐渐成为热点研究课题。虽然CFD的方法在研究吊仓式螺旋桨推进器的空泡性能,包括吊舱姿态、伴流、大转角和动态操作影响时表现出一定的优越性,但在研究其非设计工况下的性能如螺旋桨力和其他动力效应,包括桨叶水动力及其在吊舱室上诱发的大窄带脉冲载荷和船的横摇及航向稳定性等时CFD预报效果也十分有限,这个问题还亟待解决。

    4)船/桨/舵及附体相互干扰流动的水动力研究

    某些特殊情况下,舵表面会产生一个“负拉力”,如果能充分利用这种现象就能大大降低整船的阻力。另外,除了从舵设计方面考虑推进效率外,空化也都是需要考虑的问题。高功率集中的螺旋桨需要在运行效率和船体表面辐射压力二者之间维持1种平衡,这种类型的桨经常产生强烈的、空化梢涡和尾涡现象,而这些涡的存在会破坏舵的表面,导致油漆脱落、表面腐蚀。除此之外,流动的切向分量从螺旋桨分离时对舵和螺旋桨叶片形成大攻角空化侵蚀。由于船体、螺旋桨、舵及其附体的共同存在,使得船体尾部流场变得异常复杂,已经不能简单的用螺旋桨的敞水性能来衡量桨的水动力性能,需要综合考察尾部流场状况,权衡影响。意大利学者RobertoMuscari,AndreaDiMascio采用运动重叠网格技术对INSEANE1607螺旋桨实际工作环境进行的细致研究,将桨置于实际船体尾部,并且考虑了舵的影响。与此同时也计算了独立桨的敞水性能,二者比较来看位于船体尾部的螺旋桨表面压力分布与敞水桨表面压力分布有很大差异,水动力性能发生了较大变化,由此看来,将船体、桨、舵及相关附体作为一个整体来研究是很有必要的。

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