复合材料螺旋桨空泡及空泡水动力性能的数值预报研究

发布时间：2020-08-05 06:58

【摘要】：当前,舰船的发展不断趋于大型化与高速化,舰船螺旋桨常常由于过大的负荷而产生空泡。空泡一旦产生,势必影响螺旋桨的水动力性能;导致空化剥蚀,破坏桨叶表面材料;同时引发船体尾部振动,致使空化噪声。近年来,空化问题一直是国际水动力学界的重点研究问题。传统金属螺旋桨为了控制空泡产生常从螺旋桨的几何尺寸与形状上着手,如选用较小厚度的翼型和在叶根处打孔等,但是由于螺旋桨尺寸和重量都很大,并且结构十分复杂,效果往往并不理想。而复合材料螺旋桨的出现为空泡现象的控制提供了新的契机。复合材料螺旋桨的结构特点及工作原理都与传统金属螺旋桨大不相同,因此其空化现象产生的机理及造成的影响也迥然各异。基于此,本文针对通用桨型DTMB4381螺旋桨,利用CFD方法与有限元分析方法相结合,对复合材料螺旋桨的空泡性能及空泡水动力性能进行了研究,并与金属螺旋桨的计算结果进行了对比分析,探索了复合材料螺旋桨的空化机理,具体研究内容如下:利用基于RANS方程的计算流体力学方法,建立了螺旋桨敞水数值模拟方法;采用四面体网格与结构化网格相结合的混合网格方式实现了整个计算域网格的划分;通过网格无关性分析,验证了该方法的正确性;研究了不同湍流模型对金属螺旋桨水动力性能计算结果的影响,与文献中的实验值进行了对比,提出了适应于本研究的有效湍流模型;分析了不同工况下螺旋桨桨叶表面的压力分布及流场情况。采用基于Mosaic技术的Poly-Hexcore旋转域网格与外流场的结构化网格结合的重叠网格,结合计算流体力学方法,建立了螺旋桨定常空泡数值模拟方法,研究了金属螺旋桨在不同工况、不同空泡数下的定常空泡流,讨论了不同湍流模型、不同空化模型、不同离散格式对计算结果的影响,分析了不同工况以及空泡数下金属螺旋桨的空化面积、空化程度以及空泡水动力性能。并与文献中的计算结果对比分析,验证了空泡数值模拟方法的准确性。利用CFD、FEM与基于MATLAB的几何重构程序相结合,建立了复合材料螺旋桨空泡数值模拟计算方法;完成了不同工况下4381复合材料螺旋桨的流固耦合计算,分析复合材料螺旋桨的变形情况,结合MATLAB与三维构型软件UG,完成形变后复合材料螺旋桨的三维几何重构;研究不同工况、不同空泡数下复合材料螺旋桨的定常空泡性能与空泡水动力性能,将所得计算结果与金属桨对比分析,显示了复合材料螺旋桨在空泡性能及空泡水动力性能上的优异性。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U664.33
【图文】：

螺旋桨空化现象空泡的出现会对螺旋桨造成许多不利影响，比如空泡会改变螺旋桨水动力性

拖曳水池

螺旋桨的空泡性能试验多在空泡筒中进行，如图1-3 所示。图 1-2 拖曳水池 图 1-3 空炮筒而如今，计算流体力学方法越来越多的取代理论研究方法与模型试验方法。

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本文编号：2781193