船用螺旋桨敞水和空化性能CFD预报

发布时间：2017-03-19 10:02

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【摘要】：螺旋桨是目前船舶领域广泛使用的推进器。工作于船后的螺旋桨会受到船体产生的伴流的影响,造成其水动力性能下降和振动现象。为了改善螺旋桨在船后非均匀尾流场中的振动和空化性能,螺旋桨桨叶通常要具有一定侧斜角度甚至大侧斜。根据不同理论设计的侧斜桨实际使用时能否达到设计要求,通常需要经过实验或理论验证。 本文应用计算流体力学方法(CFD),通过求解粘性流体湍流流动的控制方程组(Navier-Stokes方程组)数值研究侧斜螺旋桨水动力性能包括敞水和空化性能。通过与实验结果进行比较,评价数值计算结果的可靠性和不同湍流模型的预报精度,为工程应用和理论研究提供参考。 在螺旋桨敞水性能模拟方面,本文首先选取常规螺旋桨MAU4-50,使用标准二方程κ-ε湍流模型。计算得到的推力、扭矩系数和效率与试验值吻合较好。推力和扭矩系数的相对误差分别为3.85%和6.]5%。在此基础上,对一大侧斜螺旋桨的敞水性能进行了计算。研究和分析了非结构网格区域大小和不同湍流模型对计算结果的影响。三种湍流模型即k-c,SST和雷诺应力模型得到的推力和扭矩系数在主要工作工况下的相对误差均在10%以内,其中雷诺应力模型的误差最小。此外,研究了侧斜分布对螺旋桨敞水性能的影响。 对于船后非均匀来流下螺旋桨空化性能的研究,本文首先使用全空化模型和Z-G-B空化模型对二二维水翼的空化进行模拟计算,探索两种空化模型对空化流动计算的准确度。通过修改部分经验常数,获得的计算结果较为满意。然后使用修改后的Z-G-B模型对某一侧斜桨在船后非均匀来流条件下的空化现象进行模拟。结果表明空泡发生和消失位置以及空化区域与实验值吻合较好。最后修改该侧斜桨的侧斜分布,得到四个不同侧斜分布的螺旋桨,对这四个桨进行空化性能和振动性能研究,得到侧斜参数对空化性能和振动性能的影响规律。
【关键词】：大侧斜螺旋桨 侧斜参数 尾伴流 数值模拟 空化模拟
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：U664.33
【目录】：

• 摘要4-5
• Abstract5-10
• 1 绪论10-15
• 1.1 课题的研究背景和意义10-11
• 1.2 螺旋桨敞水性能和空化流动研究方法概述11-13
• 1.3 螺旋桨敞水性能和空化流动CFD研究的国内外研究现状13-14
• 1.4 本文的主要研究内容及目标14-15
• 2 计算流体力学方法简介15-23
• 2.1 网格生成技术15-16
• 2.1.1 结构化网格的生成方法15-16
• 2.1.2 非结构化网格的生成方法16
• 2.2 流动控制方程16-17
• 2.3 雷诺时均Navier-Stokes方程(RANS)的湍流模型17-20
• 2.3.1 标准k-ε两方程模型18
• 2.3.2 SST两方程模型18-20
• 2.3.3 雷诺应力模型20
• 2.4 空化模型20-22
• 2.4.1 完全空化模型21-22
• 2.4.2 Z-G-B模型22
• 2.5 本章小结22-23
• 3 数值计算方法23-29
• 3.1 有限体积法23
• 3.2 离散方程中对流项差分格式23-26
• 3.2.1 中心差分格式24-25
• 3.2.2 迎风格式25
• 3.2.3 QUICK格式25-26
• 3.2.4 High Resolution格式26
• 3.3 SIMPLE算法26-27
• 3.4 联合求解算法27
• 3.5 求解代数方程组的方法27-28
• 3.6 本章小结28-29
• 4 常规螺旋桨和大侧斜螺旋桨的敞水性能计算和结果分析29-46
• 4.1 常规螺旋桨的敞水性能计算和结果分析29-33
• 4.1.1 几何模型建立29-30
• 4.1.2 网格划分与生成30
• 4.1.3 空间离散格式和边界条件30
• 4.1.4 网格无关性验证30-32
• 4.1.5 计算结果与分析32-33
• 4.2 大侧斜螺旋桨的敞水性能计算和结果分析33-40
• 4.2.1 几何模型建立33-34
• 4.2.2 网格生成与边界条件34-35
• 4.2.3 网格无关性验证35-36
• 4.2.4 非结构网格区域大小的影响36-37
• 4.2.5 不同湍流模型预测精度研究37-40
• 4.3 侧斜分布对大侧斜螺旋桨的敞水性能计算结果和分析40-45
• 4.4 本章小结45-46
• 5 二维水翼的空泡性能预报46-58
• 5.1 计算区域及边界条件46
• 5.2 离散格式46-47
• 5.3 网格无关性讨论47-48
• 5.4 两种软件计算无空化时叶面压力分布比较48
• 5.5 空化流动计算结果与分析48-53
• 5.5.1 全空化模型中不凝结气体质量分数对计算结果的影响48-51
• 5.5.2 Z-G-B模型中不同系数对计算结果的影响51
• 5.5.3 Z-G-B模型中不同蒸发系数对计算结果的影响51-52
• 5.5.4 Z-G-B模型中不同凝结系数对计算结果的影响52-53
• 5.6 两种空化模型计算结果比较53-57
• 5.7 本章小结57-58
• 6 船后非均匀来流下大侧斜螺旋桨的空泡性能预报58-69
• 6.1 船后非均匀来流下大侧斜螺旋桨的空泡性能预报58-61
• 6.1.1 非均匀来流流场的处理58-59
• 6.1.2 螺旋桨空泡计算和结果分析59-61
• 6.2 侧斜分布对船后非均匀来流下螺旋桨空泡性能的影响61-67
• 6.3 本章小结67-69
• 结论与展望69-71
• 参考文献71-73
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况73-74
• 致谢74-76

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本文编号：255859