船用复合材料螺旋桨研究进展

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第5期张帅等:船用复合材料螺旋桨研究进展621

改进螺旋桨的效率起到关键的作用.螺旋桨的水动力计算,可以采用传统的基于势流理论的涡格法(vortex-latticemethod,VLMs)和面元法(bound-aryelementmethod,BEMs)或基于黏性流理论的(Reynolds-averagednavierstokes,RANS)方程以商业的(computational uiddynamics,CFD)软件求解确定.升力面方法是基于薄物体的假定简化,求解的边界条件不是在真实的物理表面上而是在桨叶中和面上,因此不能计算导边和叶梢附近的压力分布.与VLMs相比,BEMs是直接在考虑真实物理表面上分布源汇等奇点,故不会产生导边奇性,压力分布更接近实际.面元法对于复杂几何形状能更精确地描述,对于桨毂、导管和桨叶空泡上的影响更容易处理,且计算时间合理[2].面元法和涡格法均是基于势流理论的方法,与Viscoussolver相比,求解时间合理[1]仍是求解和预测螺旋桨水动力性能的高效和可靠的方法[3].然而随着计算机技术的快速发展,基于RANS方程的黏性流场求解技术日趋完善,预报精度高,考虑了黏性的影响和旋度,可以很好地捕捉螺旋桨的尾流和梢涡,不失为一种可以采用的新方法.

Kerwin等[4]首先将VLMs法引入计算船用螺旋桨的水动力性能.Kinnas等[5]将源汇和涡格置于桨叶的名义拱弧面,用一系列的奇点和控制点准确计算了船用螺旋桨的水动力分布.Hess等[6]首次将基于速度的面元法应用于分析船用螺旋桨的特性,随后Lee等[7]将基于速度势的面元法应用于求解螺旋桨的水动力载荷.近年来,国内外学者相继开展了基于RANS方程的螺旋桨敞水性能数值求解研究[8 10].而高富东等[11]依据文献[12]中的网格划分思想,采用文献[13]中的网格边界层厚度控制原则,高精度地预测了螺旋桨的敞水性能.季斌等[14]采用基于编程技术将常用的两种湍流模型结合起来准确地预测了螺旋桨在均匀流场和船舶尾流场中大侧斜螺旋桨空泡特性.而对于船--桨--舵互扰特性的研究、极端工况下的螺旋桨性能研究以及空泡尾涡的观测,基于黏性流理论的数值预报,表现出了巨大的优势和发展前景.

对于传统船用金属材料螺旋桨,过去的方法都是假设桨叶有足够的刚度,所以桨叶的结构响应可以仅通过施加由流场分析得出的流体压力而单独求解.但对于几何形状和构造复杂(如大侧斜螺旋桨、超空泡螺旋桨)的金属材料螺旋桨,桨叶的弹性变形效应被指出会影响螺旋桨工作性能[15].

介于新形式及新材料技术的发展,对于螺旋桨的流场特性的求解提出了更高的要求,需要考虑桨叶的振动特性,以及变形引起的螺旋桨综合性能的变化,因而螺旋桨的水弹性技术即流固耦合技术应运而生.

为了解释桨叶变形引起的流体压力的变化,Atkinson等[16]将升力面和有限元结合起来,开发了一个求解螺旋桨水动力性能的迭代程序,计算了定常空泡作用下螺旋桨的水动力性能.为了求解桨叶的动态应力分布瞬时效应,Kuo等[17-18]采用编写的面元法和三维线性等参单元有限元耦合的方式计算、分析了螺旋桨的水动力载荷性能,推导了附加质量矩阵和附加阻尼矩阵,以频域的求解方式,确定了非定常流场中桨叶的动态压力载荷和桨叶动态应力.Kuo指出线性分析时,桨叶的节点位移| |可由模态叠加的方式表示为

| |=

∞∑m=0

| |m

∞∑ im t

¯ e =| |0+m

m=1

(1)

桨叶有限元离散方程为

¨ ˙ M +Bs +K| |=|H|+|F|C水动力表示为

(2)

|H|=|F|+|f|=

∞∞ ∑∑ ¨ ˙ |F|m+( Am Bm )

m=0

m=1

m

m

(3)

K| |0=|F|0+|F|C ¨˙(M+Am)| |m+(Bs+Bm)| |m+ K| |m=|F|m

m=1,2,3,...

(4)

式(4)即为Kuo以频域方式求解螺旋桨水弹性的耦合方程,Am和Bm分别为用振动模态表示的附加质量矩阵和附加阻尼矩阵,具体公式见文献[18].

Jiang等[19]编写了一个计算螺旋桨反转和突然倒退时分析螺旋桨定常性能的水弹性计算程序,以NASTRAN计算螺旋桨4383的结构特性,采用升力面PFS3程序计算了螺旋桨水动力性能.Lin等[20]采用九节点壳单元的结构控制方程和升力面[4]方法求解水动力压力载荷方程相结合的方式,结合稳态伯努利方程和平均黏阻力的方式推

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