仿生船舶螺旋桨特性的数值模拟研究
发布时间：2020-12-03 19:55
船舶螺旋桨的水动力性能主要包括螺旋桨的推力、扭矩以及敞水效率。在进行船舶螺旋桨的设计制造时,除了需要考虑水动力性能外还需考虑螺旋桨产生的空泡、强度以及激振力。对于军用船舶,需额外考虑螺旋桨所产生的噪声。另外,仿生工程已渗入到各个学科领域,且产生了系列显著的科学技术成果。因此,本文以减少船舶螺旋桨产生的梢涡空泡和提高螺旋桨的敞水效率为目的,采用仿生方法对螺旋桨进行设计和性能分析研究。受仿生学的启发,通过商业软件STAR-CCM+中的RANS湍流模型对5种具有叶梢小翼的仿生船舶螺旋桨进行数值分析研究,其中以MAU 5-80螺旋桨作为基准的螺旋桨模型。具有叶梢小翼的仿生船舶螺旋桨的几何结构特点主要在于其叶梢相对于MAU型螺旋桨叶梢向压力面倾斜,并保持仿生小翼螺旋桨的直径和MAU型螺旋桨的直径相同。首先对MAU型螺旋桨敞水特性进行数值模拟计算和实验对比分析,然后通过压力系数、梢涡空泡、轴向速度场和螺旋度等对仿生小翼螺旋桨和MAU型螺旋桨进行对比分析研究。数值计算结果表明,与MAU型螺旋桨相比,新设计的具有叶梢小翼的仿生船舶螺旋桨对螺旋桨的效率影响不大,而推力系数随小翼倾角的增大逐渐减小。在螺旋...
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１新型螺旋桨??Ｆｉｇ．?１．１?Ｎｅｗ－ｔｙｐｅ?ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ??仿生工程己渗入到各个学科领域，且呈现出极高的科学技术成果水平
?仿生船舶螺旋奖特性的数值模拟研究???Ｓ?＾??图１．２猫头鹰??Ｆｉｇ．?１．２?Ｏｗｌ??１．２国内外相关研究现状及进展??１．２．１螺旋桨梢涡空泡的研究现状??船舶螺旋桨空泡日益成为研究人员普遍关心的问题，主要是因为螺旋桨空泡会造成??螺旋桨的辐射噪声増加、效率降低及汽蚀等问题。其中螺旋桨梢涡的产生主要是由于在??螺旋桨的压力面和吸力面存在压差，水流会从高压区流向低压区，当涡核的压力低于汽??化压力时，就会产生梢涡空泡现象。??国内外很多研宄人员用不同的方法进行研究了船舶螺旋桨的梢涡及梢涡空泡现象。??其中，辛公正采用ＬＤＶ设备测量了螺旋桨在空泡水筒中产生梢涡时的流场结构和梢??涡的运动轨迹，并对梢涡空泡进行试验观测，给出了梢涡速度场的分布情况，然后通过??改变叶梢几何（如增加叶梢的厚度、局部向压力面纵倾及叶梢外半径区域的直导边）使??得梢涡尾流的横向流动减弱，从而使得梢涡强度有所降低，达到抑制或推迟梢涡空泡初??生的目的。傅慧萍和李杰［４１，４２］通过对ＰＰＴＣ螺旋桨进行空化流场的数值模拟研宄表明螺??旋形网格对于捕捉梢涡空泡是一种非常有效的手段，空化模型Ｚｗａｒｔ－Ｇｅｒｂｅｒ－Ｂｅｌａｍｒｉ中??的含气率等参数对计算结果中的空泡形式以及压力脉动具有直接的影响。胡健等人［４３］??采用ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋软件对螺旋桨梢涡脱落的现象进行研究表明，基于重叠网格和ＬＥＳ??湍流模拟能较好地模拟螺旋桨梢涡结构，在低进速系数工况下，梢涡呈现出紊乱的形态，??在较高的进速系数的工况下则为螺旋涡管的结构。杨琼方等人［４４，４５］研究螺旋桨空化斗和??关于判定空化初生以及低频噪声的预报，使用了?ＳＳＴ揣流模型及改
?仿生船舶螺旋桨特性的数值模拟研究???１．３本文主要研究思路??本文主要是受鸟类翼型翅膀的启发，仿生设计研究了两种仿生船舶螺旋桨，一种基??于鸟类翅膀的翼梢一般都有翘起的结构仿生设计了具有叶梢小翼的仿生船舶螺旋桨，另??一种是基于鸟类翅膀的翼型截面仿生设计了四种叶剖面的船舶螺旋桨，然后对其性能进??行分析研究。本文的主要研究思路如下图１．４所示：??仿生船舶螺旋桨特性的数值模拟研究??的主要研宄思路??，??????—??．??仿生船舶螺旋桨特性研究－??Ｉ?，?１?１?￣￣ｉ￣￣￣１?ｉ?！??仿生小翼螺旋桨｜?｜仿生叶剖面螺旋桨??－?１?－——?＼?ｉ?＇???±??Ｉ?｜建立三纟Ｉ仿生叶??ＳＳＴ々－ｄ莫型研究?ＬＥＳ模型研究仿?剖面螺旋奖?：??仿生螺旋桨?｜生小旋桨?￣￣：￣￣ｙ???；?丨〒?｜网格正和?１??｜建立纟１旋桨?网格矗证和?｜模型验证?丨．■翻－验１？正１??：?几何模型?模型验证?Ｉ???梢涡ｉ流与?＊Ｉ?１??Ｉ?．．，?空化性能?仿生叶‘面螓旋ｒ＾ｎ?：??不同后倾角仿生小翼的??１?桨的敞水特性?梢涡桨叶强度计析：??敞水特性和空化性能??—?；??图１．４主要研究思路??Ｆｉｇ．?１．４?Ｍａｉｎ?ｒｅｓｅａｒｃｈ?ｉｄｅａｓ??（??１．４研究目的和研究意义??本文主要是从仿生的角度分别以减少船舶螺旋桨产生的梢涡空泡和提高螺旋桨的??敞水效率为目的对螺旋桨进行设计分析研宄。在对仿生船舶螺旋桨进行数值模拟分析之??前，首先采用结构比较简单的船舶舵对数值求解模型和方
【参考文献】：
期刊论文
[1]融合小翼对风力机气动性能的影响[J]. 胡丹梅,吴志祥,张开华,张智伟. 可再生能源. 2019(09)
[2]基于CFD的对转螺旋桨水动力性能分析[J]. 孙承亮,赵江滨. 舰船科学技术. 2019(03)
[3]斜流中的螺旋桨空化及压力脉动计算[J]. 傅慧萍,李杰. 中国造船. 2018(03)
[4]轻载下的螺旋桨空化流场数值模拟[J]. 傅慧萍,李杰. 上海交通大学学报. 2018(06)
[5]翼身融合水下滑翔机翼梢小翼减阻效应研究[J]. 吕达,宋保维,姜军,黄桥高. 华中科技大学学报(自然科学版). 2018(06)
[6]一种超体积准则多目标遗传算法的螺旋桨叶片优化方法[J]. 潘志榕,朱光宇,伊德景. 福州大学学报(自然科学版). 2018(03)
[7]高速水面舰船多工况螺旋桨叶剖面优化设计[J]. 曾志波. 中国造船. 2018(01)
[8]均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报（英文）[J]. 刘登成,韦喜忠. 船舶力学. 2017(12)
[9]基于大涡模拟的螺旋桨梢涡数值分析[J]. 胡健,耿冲,冯峰. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(11)
[10]舵型参数对襟翼舵升力特性影响的数值计算研究[J]. 杨立,张华,沈定安,潘子英. 中国造船. 2017(01)
博士论文
[1]螺旋桨水动力性能及流场分析的面元—涡粒子耦合算法研究[D]. 王有江.西北工业大学 2017
[2]桨叶几何对梢涡空泡起始影响及其机理研究[D]. 辛公正.中国舰船研究院 2014
硕士论文
[1]JfS翼型襟翼舵水动力性能及设计研究[D]. 常婷婷.上海交通大学 2017
[2]新型仿生螺旋桨水动力性能及噪声性能研究[D]. 姜慧.哈尔滨工程大学 2016
[3]扭曲舵节能效果数值研究[D]. 付翯翯.上海交通大学 2016
[4]仿生螺旋桨水动力性能研究[D]. 谷双泰.哈尔滨工程大学 2015
[5]基于遗传算法的螺旋桨优化设计研究[D]. 莫涛.哈尔滨工程大学 2014
[6]两种不同优化算法在螺旋桨设计中的应用和比较[D]. 刘洋浩.哈尔滨工程大学 2012
[7]襟翼舵设计计算及水动力性能仿真研究[D]. 谢俊超.武汉理工大学 2011
[8]基于遗传算法的螺旋桨性能优化研究[D]. 黄树权.大连理工大学 2009
本文编号：2896523
【文章来源】：大连海事大学辽宁省 211工程院校
【文章页数】：132 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．１新型螺旋桨??Ｆｉｇ．?１．１?Ｎｅｗ－ｔｙｐｅ?ｐｒｏｐｅｌｌｅｒｓ??仿生工程己渗入到各个学科领域，且呈现出极高的科学技术成果水平
?仿生船舶螺旋奖特性的数值模拟研究???Ｓ?＾??图１．２猫头鹰??Ｆｉｇ．?１．２?Ｏｗｌ??１．２国内外相关研究现状及进展??１．２．１螺旋桨梢涡空泡的研究现状??船舶螺旋桨空泡日益成为研究人员普遍关心的问题，主要是因为螺旋桨空泡会造成??螺旋桨的辐射噪声増加、效率降低及汽蚀等问题。其中螺旋桨梢涡的产生主要是由于在??螺旋桨的压力面和吸力面存在压差，水流会从高压区流向低压区，当涡核的压力低于汽??化压力时，就会产生梢涡空泡现象。??国内外很多研宄人员用不同的方法进行研究了船舶螺旋桨的梢涡及梢涡空泡现象。??其中，辛公正采用ＬＤＶ设备测量了螺旋桨在空泡水筒中产生梢涡时的流场结构和梢??涡的运动轨迹，并对梢涡空泡进行试验观测，给出了梢涡速度场的分布情况，然后通过??改变叶梢几何（如增加叶梢的厚度、局部向压力面纵倾及叶梢外半径区域的直导边）使??得梢涡尾流的横向流动减弱，从而使得梢涡强度有所降低，达到抑制或推迟梢涡空泡初??生的目的。傅慧萍和李杰［４１，４２］通过对ＰＰＴＣ螺旋桨进行空化流场的数值模拟研宄表明螺??旋形网格对于捕捉梢涡空泡是一种非常有效的手段，空化模型Ｚｗａｒｔ－Ｇｅｒｂｅｒ－Ｂｅｌａｍｒｉ中??的含气率等参数对计算结果中的空泡形式以及压力脉动具有直接的影响。胡健等人［４３］??采用ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋软件对螺旋桨梢涡脱落的现象进行研究表明，基于重叠网格和ＬＥＳ??湍流模拟能较好地模拟螺旋桨梢涡结构，在低进速系数工况下，梢涡呈现出紊乱的形态，??在较高的进速系数的工况下则为螺旋涡管的结构。杨琼方等人［４４，４５］研究螺旋桨空化斗和??关于判定空化初生以及低频噪声的预报，使用了?ＳＳＴ揣流模型及改
?仿生船舶螺旋桨特性的数值模拟研究???１．３本文主要研究思路??本文主要是受鸟类翼型翅膀的启发，仿生设计研究了两种仿生船舶螺旋桨，一种基??于鸟类翅膀的翼梢一般都有翘起的结构仿生设计了具有叶梢小翼的仿生船舶螺旋桨，另??一种是基于鸟类翅膀的翼型截面仿生设计了四种叶剖面的船舶螺旋桨，然后对其性能进??行分析研究。本文的主要研究思路如下图１．４所示：??仿生船舶螺旋桨特性的数值模拟研究??的主要研宄思路??，??????—??．??仿生船舶螺旋桨特性研究－??Ｉ?，?１?１?￣￣ｉ￣￣￣１?ｉ?！??仿生小翼螺旋桨｜?｜仿生叶剖面螺旋桨??－?１?－——?＼?ｉ?＇???±??Ｉ?｜建立三纟Ｉ仿生叶??ＳＳＴ々－ｄ莫型研究?ＬＥＳ模型研究仿?剖面螺旋奖?：??仿生螺旋桨?｜生小旋桨?￣￣：￣￣ｙ???；?丨〒?｜网格正和?１??｜建立纟１旋桨?网格矗证和?｜模型验证?丨．■翻－验１？正１??：?几何模型?模型验证?Ｉ???梢涡ｉ流与?＊Ｉ?１??Ｉ?．．，?空化性能?仿生叶‘面螓旋ｒ＾ｎ?：??不同后倾角仿生小翼的??１?桨的敞水特性?梢涡桨叶强度计析：??敞水特性和空化性能??—?；??图１．４主要研究思路??Ｆｉｇ．?１．４?Ｍａｉｎ?ｒｅｓｅａｒｃｈ?ｉｄｅａｓ??（??１．４研究目的和研究意义??本文主要是从仿生的角度分别以减少船舶螺旋桨产生的梢涡空泡和提高螺旋桨的??敞水效率为目的对螺旋桨进行设计分析研宄。在对仿生船舶螺旋桨进行数值模拟分析之??前，首先采用结构比较简单的船舶舵对数值求解模型和方
【参考文献】：
期刊论文
[1]融合小翼对风力机气动性能的影响[J]. 胡丹梅,吴志祥,张开华,张智伟. 可再生能源. 2019(09)
[2]基于CFD的对转螺旋桨水动力性能分析[J]. 孙承亮,赵江滨. 舰船科学技术. 2019(03)
[3]斜流中的螺旋桨空化及压力脉动计算[J]. 傅慧萍,李杰. 中国造船. 2018(03)
[4]轻载下的螺旋桨空化流场数值模拟[J]. 傅慧萍,李杰. 上海交通大学学报. 2018(06)
[5]翼身融合水下滑翔机翼梢小翼减阻效应研究[J]. 吕达,宋保维,姜军,黄桥高. 华中科技大学学报(自然科学版). 2018(06)
[6]一种超体积准则多目标遗传算法的螺旋桨叶片优化方法[J]. 潘志榕,朱光宇,伊德景. 福州大学学报(自然科学版). 2018(03)
[7]高速水面舰船多工况螺旋桨叶剖面优化设计[J]. 曾志波. 中国造船. 2018(01)
[8]均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报（英文）[J]. 刘登成,韦喜忠. 船舶力学. 2017(12)
[9]基于大涡模拟的螺旋桨梢涡数值分析[J]. 胡健,耿冲,冯峰. 华中科技大学学报(自然科学版). 2017(11)
[10]舵型参数对襟翼舵升力特性影响的数值计算研究[J]. 杨立,张华,沈定安,潘子英. 中国造船. 2017(01)
博士论文
[1]螺旋桨水动力性能及流场分析的面元—涡粒子耦合算法研究[D]. 王有江.西北工业大学 2017
[2]桨叶几何对梢涡空泡起始影响及其机理研究[D]. 辛公正.中国舰船研究院 2014
硕士论文
[1]JfS翼型襟翼舵水动力性能及设计研究[D]. 常婷婷.上海交通大学 2017
[2]新型仿生螺旋桨水动力性能及噪声性能研究[D]. 姜慧.哈尔滨工程大学 2016
[3]扭曲舵节能效果数值研究[D]. 付翯翯.上海交通大学 2016
[4]仿生螺旋桨水动力性能研究[D]. 谷双泰.哈尔滨工程大学 2015
[5]基于遗传算法的螺旋桨优化设计研究[D]. 莫涛.哈尔滨工程大学 2014
[6]两种不同优化算法在螺旋桨设计中的应用和比较[D]. 刘洋浩.哈尔滨工程大学 2012
[7]襟翼舵设计计算及水动力性能仿真研究[D]. 谢俊超.武汉理工大学 2011
[8]基于遗传算法的螺旋桨性能优化研究[D]. 黄树权.大连理工大学 2009
本文编号：2896523
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