船用螺旋桨的不对称导管的设计与应用

发布时间：2020-08-16 21:13

【摘要】：螺旋桨工作在船后不均匀尾流场中,这会使螺旋桨的桨叶负荷不均,从而引起螺旋桨的空泡、噪声问题。本文针对船后的不均匀尾流场,设计一个不对称导管,以达到改善船后伴流的效果。首先,本文通过ICEM网格软件,对不同系列的加速导管进行建模,然后用STARCCM+软件对不同系列的加速导管进行计算,探究改变导管长度、改变导管剖面攻角和改变导管拱度对流体加速效果的影响,然后对桨盘面处的轴向速度进行分析,并总结其规律性变化。然后对KCS裸船的阻力性能进行计算,并将计算值与试验值进行对比,结果表明,本文的计算方法是可行的。然后对自由液面对桨盘面处轴向伴流的影响进行分析,结果表明,自由液面对桨盘面处轴向伴流的影响很小,且在没有自由液面的情况下,计算结果收敛的更快。基于之前的计算分析,对不考虑自由液面的KCS船的尾流场进行计算,采用SSTk-?模型对4种不同缩尺比的KCS船的标称伴流场进行计算。并对不同缩尺比的KCS船在桨盘面处的伴流分数进行分析,计算结果表明:在不同半径处的平均伴流分数的倒数与雷诺数对数呈正相关;且KCS船在桨盘面处的伴流峰值随缩尺比的减小而减小,小尺度船的尺度效应更明显。然后以KCS裸船伴流场的研究为基础,针对桨盘面处轴向伴流分布特点来设计一个不对称导管,使得船后伴流整体变得均匀,并对船-导管的性能进行计算,通过对桨盘面处的伴流分数进行分析,发现在桨盘面的0~0-80~0及280~0-360~0的范围内,不对称导管对该范围内的流体起加速作用;在桨盘面的90~0-270~0,不对称导管对该范围内的流体起减速作用。对比发现,安装不对称导管的KCS船确实可以改善桨盘面处的伴流,使桨盘面处的伴流整体变得均匀。最后对本文设计的不对称导管和KCS船及KP505桨进行计算,然后分析本文所设计的不对称导管对桨盘面处的流场影响。首先对KCS船和KP505桨一体的性能进行计算,并将计算值和试验值进行对比,以验证本文计算方法的准确性。然后对安装不对称导管的船桨进行数值计算,并对安装不对称导管的船体性能进行分析,还对不对称导管在桨盘面处轴向伴流进行分析,我们发现不对称导管对桨盘面上半部分流体起加速作用,对桨盘面下半部分流体起减速作用。通过对安装不对称导管的船后螺旋桨的脉动力进行分析,发现安装不对称导管可以使螺旋桨的推力及转矩的脉动幅值变小,从而减小由螺旋桨引起的振动。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.33
【图文】：

示意图,导管螺旋桨,螺旋桨,推进器

水流预旋;。的作用效果都很让人满意。例如安装整流鳍，这也鳍安在螺旋桨前面的船体上，以减少螺旋桨前面旋盘面处不均匀伴流的措施，其中包括不对称船尾船螺旋桨、对转螺旋桨、导管螺旋桨、无梢涡螺旋桨、前置导管、导流叶轮以及一些特殊船舶推进节能改善船尾伴流多，作为特种推进器之一的导管桨，是由螺旋桨和成的，导管螺旋桨的示意图如图 1.1 所示。导管螺会降低很多，而导管则可以让螺旋桨有定向的水流产生很大波动，并且可以减小尾流的能量损耗，进伴流有很明显的改善。

导管,螺旋桨,伴流

使螺旋桨盘面处的伴流分布更加均匀，减少能量损失，以提高螺旋桨效率。其形式如图2.1（a）。补偿导管是通过对船后伴流场的研究而研发的装置，如图 2.1（b）。补偿导管通常安装在螺旋桨轴的上方，补偿导管并没有采用左右对称的安装方式，这样可以增加来流的预旋，使桨盘面上半部分的流速增加，以使桨盘面处伴流变得均匀，这样既可以减少尾流的能量损失，又可以减少船体振动和螺旋桨的激振力。扇形导管是安装在船体和螺旋桨之间的装置，如图 2.1（c）。其内部导叶的作用是对螺旋桨前面的来流起到预旋的作用，以减少周向伴流对螺旋桨的影响，外部导管则可以收缩高速伴流区，以增加螺旋桨前面来流的流速，将船对工作在船后的螺旋桨的影响尽可能的降低，从而达到提高螺旋桨效率的目的。（a）前置导管（b）补偿导管（c）扇形导管图 2.1 不同形式的导管虽然导管有如此多的形式，但是根据其对流体的影响效果，可分为加速导管和减速导管两种类型。所谓加速导管，就是流体在流经导管腔体内部时，会以更高的速度通过螺旋桨盘面，而减速导管则刚好相反。随着计算机技术的高速发展，自 20 世纪 60 年代中期以来，计算流体力学（CFD）技术，作为数值模拟方法的一种，相比于传统的实验方法，以其具有的计算周期短，

翼型,拱度比,厚度比,长径比

24 0.5 0.21 0.03 10.2 NACA 332125 0.67 0.15 0.03 12.7 NACA 331526 0.5 0.15 0.03 12.7 NACA 331527 0.83 0.15 0.03 12.7 NACA 331528 0.3 0.15 0.03 12.7 NACA 331529 0.5 0.15 0.03 15.2 NACA 331530 0.5 0.15 0.03 10.2 NACA 331531 0.5 0.15 0.05 15.2 NACA 531532 0.5 0.15 0.05 12.7 NACA 531533 0.83 0.15 0.05 12.7 NACA 541534 0.5 0.18 0.03 12.7 NACA 331835 0.83 0.18 0.03 12.7 NACA 331836 0.5 0.18 0.03 15.2 NACA 331837 0.5 0.18 0.03 10.2 NACA 3318其中，是长径比；是厚度比；是拱度比；是攻角；profile是NACA系列翼型。

【参考文献】