紧急倒车螺旋桨水动力性能及强度特性研究

发布时间：2020-08-18 17:40

【摘要】：目前,有关螺旋桨正车前进工作模式下常规性能的研究,如噪声、空化等,已经取得很大的进展;但涉及螺旋桨在前进倒车(紧急倒车)工作模式下的研究内容较少也不够深入。紧急倒车时来流的“负”攻角会在桨叶的导边附近引起大量的流动分离,造成螺旋桨推力和转矩的剧烈变化,可能威胁螺旋桨安全稳定的工作;另外,侧向力也会影响舰艇操纵性。本文总结分析前人的研究成果,然后,结合基于大涡模拟(LES)的CFD数值仿真方法和有限元(FEM)方法,以Star CCM+和ABAQUS为工具,对螺旋桨紧急倒车模式下的水动力性能及强度特性进行大量的计算,进而分析紧急倒车模式下螺旋桨的载荷、流场及其强度特性。本文主要对螺旋桨紧急倒车模式下的载荷、流场和强度特性进行了大量的数值计算并分析其规律和特征。首先,总结国内外螺旋桨紧急倒车模式下的水动力性能、强度特性的研究现状,提出现有研究存在的问题,进而引出本文研究关注的问题,最终确定本文的主要研究内容:以E1619桨为模型,对紧急倒车模式螺旋桨的敞水性能进行大量计算,利用统计学的知识对其水动力载荷、流场及强度特性进行分析。在上述计算结果的基础上,结合Star CCM+和ABAQUS的各自优势,建立了螺旋桨紧急倒车模式下结构强度的静力分析方法,对螺旋桨正倒车运行条件下的强度特性进行计算,总结螺旋桨正倒车运行的强度特性。对艇-桨一体条件下螺旋桨紧急倒车的性能进行了计算分析,采用的潜艇是标准Sub-off模型,同上述建立的方法一样,对螺旋桨的水动力载荷、流场以及上游艇体对桨性能的影响进行了计算分析。结果表明:艇体指挥台对尾部舵的来流影响十分微弱,在后续计算中可以采用艇体后半段进行计算,上游艇体的存在增大螺旋桨的“推力”性能及侧向力性能,同时上游艇体的存在对桨盘面附近的环状涡有较大影响,从而影响螺旋桨的水动力载荷。最后,分析艇-桨一体工作条件不同航速系数下螺旋桨的静力强度特性,为紧急倒车条件下螺旋桨的设计、维护提供参考数据。最终,本文总结螺旋桨敞水、艇-桨一体条件下的水动力性能及强度特性,为未来深入研究紧急倒车模式下螺旋桨的水动力性能和强度特性提供基础。
【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】：2019
【分类号】：U674.70
【图文】：

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１．２课题研究的目的及意义逡逑螺旋桨紧急倒车是一项十分复杂的流动过程，在这个过程中，螺旋桨的水动力载荷逡逑会发生急剧的变化，会对螺旋桨的性能产生巨大的影响。因此螺旋桨的参数设计，尤其逡逑是针对潜艇静音设计的七叶大侧斜螺旋桨，若在设计阶段没有充分、细致的评估其在非逡逑设计工况时的水动力性能和强度特性，如紧急倒车模式时，螺旋桨承受的水动力载荷和逡逑结构变形，则会严重威胁螺旋桨的结构安全，进而威胁整个潜艇的推进系统；另外螺旋逡逑桨紧急倒车模式下，螺旋桨的水动力性能和正车前进模式有较大不同，若不能充分的掌逡逑握螺旋桨在该工作模式下对潜艇安全操纵的影响，将会威胁潜艇的适航性能。故研究紧逡逑急倒车模式下，潜艇和水面舰船配置的螺旋桨的水动力性能及强度特性对潜艇及水面舰逡逑船的结构完整性和操纵安全性有着至关重要的作用，但现有的ＣＦＤ研宄方完全模拟紧逡逑急倒车过程存在极大的困难，因此将紧急倒车过程离散化成一个准静止过程是一个重要逡逑的、间接的研究螺旋桨紧急倒车模式下性能的方法，同时亦能为研究适合模拟螺旋桨紧逡逑急倒车过程的ＣＦＤ方法打下基础。逡逑“”

水池,时间步长,数字,计算网格

本文采用的Ｐ４３８１桨模型同Ｊｅｓｓｕｐ等人进行的实验模型一致，但对其实验使逡逑用的桨毂进行了简化，该桨的主要几何参数如表２．１所示；参考文献［４３］等进行的数值模逡逑拟计算，本文为消除边界效应对计算结果的影响，设置的数字水池及其几何参数如图２．１逡逑所示，该几何模型及数字水池将用于对本文采用模拟螺旋桨正车前进和紧急倒车的ＣＦＤ逡逑方法的验证。逡逑表２．１邋Ｐ４３８丨桨几何参数逡逑直径（ｍ）逦０．３０４８逦５０逡逑叶数（－）逦５逡逑设计工况点（－）逦０．８８９逦＂邋■邋１１１１逡逑＿＿转速．＾＿＿逦，0逡逑倒转转速（ｒｐｓ）逦１０／１１．６７逦逦邋逦＿逡逑图２．１数字水池－Ｐ４３８１逡逑为了避免网格数量、时间步长对计算结果的影响，本文选用了三套计算网格针对设逡逑计进速下的敞水性能进行收敛性分析，参考文献［４４］网格尺寸以＾为比例进行缩放；三逡逑套网格信息如表２．２所示；时间步长分别取螺旋桨旋转１°、２°、４°所需时间Ａ／／２、Ａ／、逡逑２Ａ／，进而进行时间步长收敛性分析。逡逑１１逡逑

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