螺旋桨和水翼流固耦合机理与计算方法研究
发布时间：2021-03-23 14:09
螺旋桨及水翼水弹性问题研究对于船舶减振降噪及船舶水弹性力学学科发展具有重大意义。本文以螺旋桨及三维水翼水弹性问题为研究对象,围绕螺旋桨及三维水翼流体激励特性开展流固耦合机理与计算方法研究。基于面元法与有限元法,建立了弹性螺旋桨及水翼双向流固耦合分析模型,分析了关键参数对双向流固耦合诱导的弹性螺旋桨及水翼附加质量和附加阻尼的影响,并获得了考虑双向流固耦合效应的弹性螺旋桨动应变及轴承力。此外,本文基于刚体桨六自由度振动附加矩阵与弹性桨流固耦合附加矩阵的关联性研究,分析了关键参数对刚体螺旋桨六自由度振动附加质量和附加阻尼的影响,并得到了刚体螺旋桨六自由度振动诱导的轴承力。主要研究内容包括:（1）针对势流框架下的弹性螺旋桨（水翼）双向流固耦合问题,基于桨叶（水翼）振动位置表面流体不可穿透条件,将结构所受流体力分解成刚性螺旋桨在非均匀流中旋转所受流体力（刚性水翼在非均匀流中前进所受流体力）Fr及弹性螺旋桨在均匀流中振动所受流体力（弹性水翼在均匀流中振动所受流体力）Fv。前者为流固耦合系统的激励,后者体现双向流固耦合效应。将弹性螺旋桨（水翼）所受流体力Fv表征为流体附加质量和阻尼,并与结构质量和阻...
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：170 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
NACA0015水翼有限元模型
误差同样是由于有限元计算模型及网格划分有不同导致。以上比对中，相对误差由式present FEM FEM / 100%计算。由以上算例，可得出本文结构有限元方法收敛，且计算结果合理，能准确模拟三维水翼结构动力学响应。0102030405040 20 350 20 460 14 260 30 4对误差相[%]网格第一阶模态第二阶模态第三阶模态第四阶模态第五阶模态20 14 2(a)0102030405060对误差相[%]40 20 350 20 460 14 260 30 4网格20 14 2(b)图 4.3 本文方法和有限元软件计算结果相对误差图：(a) 模态频率；(b) 位移响应Figure 4.3 Relative discrepancy between present results and finite element solutions in air: (a) naturalfrequencies; (b) displacement amplitudes
01060 30 4网格20 14 240 20 350 20 460 14 260 30 4010网格20 14 240 20 350 20 460 14 260 30 4图 4.11 本文方法和软件计算结果相对误差图：(a) 模态频率；(b) 位移响应Figure 4.11 Relative discrepancy between present results and coupled finite element/boundary elementsolutions in water: (a) natural frequencies; (b) displacement amplitudes弹性水翼流固耦合附加矩阵直接验证并不容易，但借助上述流固耦合和声固耦合等效性方法可间接验证。由上文讨论可知，在静止水域里， 0k 0c 时，声学附加质量和流体附加质量相等，且声学附加阻尼和流体附加阻尼均为零，由流固耦合计算的水翼动力学响应数值上应和由声固耦合计算的水翼动力学响应相等。选用同 4.2.1 节相同的 NACA0015 水翼悬臂梁模型进行流固耦合附加矩阵计算验证，唯一不同在于本算例水翼置于静水中。同 4.2.1 节一样，本例给出水翼在静止水中的前五阶模态和前五阶振型，以及同一激励处 z 方向位移计算结果，如图 4.11、图 4.12和表 4.3。本例声固耦合计算是使用商业软件 Ansys 耦合 Virtual.Lab.Acoustics 完成的,声固耦合方法参考文献[182]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]复合材料螺旋桨流固耦合分析方法的发展和研究现状[J]. 张旭婷,洪毅,袁凤,矫维成,刘文博,王荣国. 玻璃钢/复合材料. 2016(06)
[2]水翼涡激振动的数值模拟研究[J]. 刘胡涛,张怀新,姚慧岚. 舰船科学技术. 2016(11)
[3]绕水翼空化流动及振动特性的试验与数值模拟[J]. 王宁,黄彪,吴钦,王国玉,高德明. 排灌机械工程学报. 2016(04)
[4]船用复合材料螺旋桨水动力性能影响因素研究[J]. 贺伟,李廷秋,李子如. 中国造船. 2015(04)
[5]Fluid-structure interaction simulation of three-dimensional flexible hydrofoil in water tunnel[J]. Shiliang HU,Chuanjing LU,Yousheng HE. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2016(01)
[6]复合材料螺旋桨双向流固耦合计算[J]. 杨光,熊鹰,黄政. 舰船科学技术. 2015(10)
[7]复合材料螺旋桨水动力特性的流固耦合数值模拟[J]. 刘政,贺铸,张宁,李红林,祁霞. 船舶工程. 2015(02)
[8]流固耦合作用对螺旋桨强度影响的数值计算[J]. 任弘,李范春,杜玲. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2015(01)
[9]螺旋桨流固耦合特性的数值模拟[J]. 孙海涛,熊鹰,时立攀. 江苏大学学报(自然科学版). 2015(01)
[10]流固耦合作用下的碳纤维螺旋桨多目标优化[J]. 王建,杨卓懿,庞永杰,韩旭亮. 华中科技大学学报(自然科学版). 2014(12)
博士论文
[1]非均匀流场中螺旋桨性能预报和理论设计研究[D]. 谭廷寿.武汉理工大学 2003
硕士论文
[1]复合材料螺旋桨流固耦合分析研究[D]. 王丹.哈尔滨工业大学 2014
[2]小型船舶复合材料螺旋桨的设计与分析[D]. 杨传勇.大连海事大学 2005
本文编号：3095931
【文章来源】：上海交通大学上海市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：170 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
NACA0015水翼有限元模型
误差同样是由于有限元计算模型及网格划分有不同导致。以上比对中，相对误差由式present FEM FEM / 100%计算。由以上算例，可得出本文结构有限元方法收敛，且计算结果合理，能准确模拟三维水翼结构动力学响应。0102030405040 20 350 20 460 14 260 30 4对误差相[%]网格第一阶模态第二阶模态第三阶模态第四阶模态第五阶模态20 14 2(a)0102030405060对误差相[%]40 20 350 20 460 14 260 30 4网格20 14 2(b)图 4.3 本文方法和有限元软件计算结果相对误差图：(a) 模态频率；(b) 位移响应Figure 4.3 Relative discrepancy between present results and finite element solutions in air: (a) naturalfrequencies; (b) displacement amplitudes
01060 30 4网格20 14 240 20 350 20 460 14 260 30 4010网格20 14 240 20 350 20 460 14 260 30 4图 4.11 本文方法和软件计算结果相对误差图：(a) 模态频率；(b) 位移响应Figure 4.11 Relative discrepancy between present results and coupled finite element/boundary elementsolutions in water: (a) natural frequencies; (b) displacement amplitudes弹性水翼流固耦合附加矩阵直接验证并不容易，但借助上述流固耦合和声固耦合等效性方法可间接验证。由上文讨论可知，在静止水域里， 0k 0c 时，声学附加质量和流体附加质量相等，且声学附加阻尼和流体附加阻尼均为零，由流固耦合计算的水翼动力学响应数值上应和由声固耦合计算的水翼动力学响应相等。选用同 4.2.1 节相同的 NACA0015 水翼悬臂梁模型进行流固耦合附加矩阵计算验证，唯一不同在于本算例水翼置于静水中。同 4.2.1 节一样，本例给出水翼在静止水中的前五阶模态和前五阶振型，以及同一激励处 z 方向位移计算结果，如图 4.11、图 4.12和表 4.3。本例声固耦合计算是使用商业软件 Ansys 耦合 Virtual.Lab.Acoustics 完成的,声固耦合方法参考文献[182]。
【参考文献】：
期刊论文
[1]复合材料螺旋桨流固耦合分析方法的发展和研究现状[J]. 张旭婷,洪毅,袁凤,矫维成,刘文博,王荣国. 玻璃钢/复合材料. 2016(06)
[2]水翼涡激振动的数值模拟研究[J]. 刘胡涛,张怀新,姚慧岚. 舰船科学技术. 2016(11)
[3]绕水翼空化流动及振动特性的试验与数值模拟[J]. 王宁,黄彪,吴钦,王国玉,高德明. 排灌机械工程学报. 2016(04)
[4]船用复合材料螺旋桨水动力性能影响因素研究[J]. 贺伟,李廷秋,李子如. 中国造船. 2015(04)
[5]Fluid-structure interaction simulation of three-dimensional flexible hydrofoil in water tunnel[J]. Shiliang HU,Chuanjing LU,Yousheng HE. Applied Mathematics and Mechanics（English Edition）. 2016(01)
[6]复合材料螺旋桨双向流固耦合计算[J]. 杨光,熊鹰,黄政. 舰船科学技术. 2015(10)
[7]复合材料螺旋桨水动力特性的流固耦合数值模拟[J]. 刘政,贺铸,张宁,李红林,祁霞. 船舶工程. 2015(02)
[8]流固耦合作用对螺旋桨强度影响的数值计算[J]. 任弘,李范春,杜玲. 武汉理工大学学报(交通科学与工程版). 2015(01)
[9]螺旋桨流固耦合特性的数值模拟[J]. 孙海涛,熊鹰,时立攀. 江苏大学学报(自然科学版). 2015(01)
[10]流固耦合作用下的碳纤维螺旋桨多目标优化[J]. 王建,杨卓懿,庞永杰,韩旭亮. 华中科技大学学报(自然科学版). 2014(12)
博士论文
[1]非均匀流场中螺旋桨性能预报和理论设计研究[D]. 谭廷寿.武汉理工大学 2003
硕士论文
[1]复合材料螺旋桨流固耦合分析研究[D]. 王丹.哈尔滨工业大学 2014
[2]小型船舶复合材料螺旋桨的设计与分析[D]. 杨传勇.大连海事大学 2005
本文编号：3095931
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