吊舱推进器水动力性能数值研究

发布时间：2017-03-29 04:14

  本文关键词：吊舱推进器水动力性能数值研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：吊舱推进器作为一种新型电力推进装置，在民船、军船上得到了越来越广泛的应用。随着CFD计算方法和技术的不断进步，对其粘流水动力特性进行数值预报已经得到越来越大的发展。本文采用RANS方法在FLUENT商用软件中对吊舱推进器水动力性能进行了数值研究。 首先对计算模型进行了比较研究。在网格依赖性方面，通过计算结果与试验的比较以及y+分布的比较，确定合理的边界层网格厚度。在湍流模型方面，对三种k-ε湍流模型及两种壁面函数的计算结果进行了比较，结果表明采用RNG k-ε及非平衡壁面函数的计算结果与模型试验相比误差最小。在旋转桨叶的计算模型方面，分别采用准定常MRF模型、定常混合面模型及非定常滑移网格模型进行了比较计算，结果表明MRF模型与滑移网格模型得到的水动力更接近。本文还研究了采用MRF模型时桨叶相位角的影响，结果表明MRF模型推力和扭矩计算值与非定常结果非常接近，但侧向力计算结果相差较大。MRF模型并不能完全代替非定常计算，但可以根据实际需要适当采用MRF模型，以节省计算时间。 其次，本文研究了支架、桨毂间隙对吊舱推进器水动力性能的影响。计算结果表明支架上方流线型阻挡绕流装置以及支架间隙是否存在对桨叶及推进单元的受力影响很小。因此，当我们只关心桨叶以及推进单元的性能时，数值计算中可以忽略上方的流线型阻挡绕流装置，以使建模及计算得到简化。桨毂间隙对推进器单元水动力及桨叶水动力的影响均很小；桨毂间隙内压力作用于桨毂后端面形成推力，其大小约为桨叶推力的2%~3%；间隙内压力随间隙宽度的变化和桨毂后端面与桨叶随边的距离有关，当该距离保持不变时，间隙内压力随间隙宽度的增大而降低。与国外公开发表的试验结果的比较表明，本文间隙影响的计算结果定性正确。 本文还研究了尺度效应对吊舱推进器水动力性能的影响。对模型尺度和实尺度吊舱推进器性能进行计算比较，结果表明与模型尺度相比，，实尺度的吊舱推进器上螺旋桨的推力增大，舱体和支架的阻力减小，整个单元的推力增大，而螺旋桨的扭矩减小。其中粘性力的变化是吊舱推进器受力变化的主要原因。从舱体及支架周围的速度分布图中可以看到，模型尺度吊舱推进器的边界层相对厚度更大一些，而实尺度吊舱推进器螺旋桨尾流对吊舱的影响更为明显。 最后本文计算了在不同斜流角度下的吊舱推进器水动力性能。计算得到的吊舱推进器水动力性能随斜流角度的变化规律与试验结果一致，螺旋桨的推力系数、扭矩系数及推进单元的侧向力系数随着斜流角度的增加而增加，而吊舱推进器单元的推力系数则随斜流角度的增加而减小。而在侧向力上，在船体坐标系下螺旋桨的侧向力占主要成分，说明在斜航状态下，转船力矩主要来自于螺旋桨推力。
【关键词】：吊舱推进器 水动力性能 间隙影响 尺度效应 斜流 CFD
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2013
【分类号】：U664.3;U661.3
【目录】：

• 摘要6-8
• ABSTRACT8-10
• 目录10-13
• 第一章 绪论13-22
• 1.1 吊舱推进器的发展概况13-15
• 1.2 吊舱推进器的研究现状15-19
• 1.2.1 吊舱推进器的试验研究15-16
• 1.2.2 吊舱推进器的数值研究16-19
• 1.2.2.1 基于势流理论的数值研究16-18
• 1.2.2.2 基于粘流理论的数值研究18-19
• 1.3 本论文的研究目的与意义19-20
• 1.4 本论文的研究内容20-22
• 第二章 数值计算方法22-34
• 2.1 CFD 数值方法概述22-29
• 2.1.1 基本控制方程22-23
• 2.1.1.1 质量守恒定律（连续性方程）22
• 2.1.1.2 动量守恒定律（动量方程）22-23
• 2.1.1.3 雷诺平均的 N-S 方程23
• 2.1.2 湍流模型23-27
• 2.1.2.1 Standard k-ε湍流模型24-25
• 2.1.2.2 RNG k-ε湍流模型25
• 2.1.2.3 Realized k-ε湍流模型25-26
• 2.1.2.4 k-ω模型26-27
• 2.1.3 壁面附近流动的处理27-28
• 2.1.4 离散与求解方法28-29
• 2.2 基于 FLUENT 的数值计算方法29-31
• 2.3 计算模型及边界条件设置31-32
• 2.4 本章小结32-34
• 第三章 计算模型比较研究34-51
• 3.1 网格依赖性研究34-42
• 3.1.1 螺旋桨网格34-38
• 3.1.1.1 网格划分与模型设置34-35
• 3.1.1.2 计算结果和分析35-38
• 3.1.2 吊舱及支架网格38-42
• 3.1.2.1 网格划分与模型设置38-40
• 3.1.2.2 计算结果分析40-42
• 3.2 湍流模型影响研究42-44
• 3.2.1 网格划分与模型设置42
• 3.2.2 计算结果和分析42-44
• 3.3 旋转运动计算模型的比较研究44-49
• 3.3.1 混合面、MRF、滑移网格模型计算比较45-46
• 3.3.2 MRF 模型与滑移网格模型的计算比较46-49
• 3.4 本章小结49-51
• 第四章 间隙影响研究51-63
• 4.1 支架间隙的影响52-57
• 4.1.1 计算模型设置52
• 4.1.2 计算结果与分析52-57
• 4.2 桨i柤湎兜挠跋
  
  本文编号：273674
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