船舶螺旋桨空泡数值预报及参数影响分析

【摘要】：随着科学技术的发展,各种新船型、高性能船相继出现,现代船舶不断的向大型化、高速化方向发展,螺旋桨负荷不断加重,往往难以避免在桨叶上出现空泡。螺旋桨空泡会对螺旋桨性能造成影响,可能会产生空泡剥蚀并对桨叶造成破坏,同时螺旋桨空泡还会引起船体尾部振动和噪声等问题。本文采用基于扰动速度势面元法建立了在均流/非均匀流条件下螺旋桨桨叶片空泡数值预报方法,研究分析了网格数、Kutta条件处理等对计算结果的影响,利用较为完整的三维空泡流动边界条件以及通过空泡末端厚度快速移动空泡末端网格取代传统非线性Newton-Raphson迭代来确定空泡区域方法,有效地提高了计算的稳定性和收敛性。针对本文所建立的螺旋桨空泡数值预报方法,进行了较为充分的数值验证。在均流条件下,对5600TEU集装箱船螺旋桨、PC456标准螺旋桨以及INSEAN水池E779A螺旋桨空泡进行了数值计算和分析;在非均匀流条件下,对5600TEU螺旋桨非定常空泡进行了计算,分析了空泡区域大小及空泡随角度变化特性等,数值计算结果均与模型试验结果有较好的吻合,验证结果表明本文方法在船舶螺旋桨空泡的数值定量预报上具有可行性和实用性。在此基础上,利用本文方法重点分析了螺旋桨侧斜、纵倾分布以及叶剖面等设计参数对空泡性能的影响,计算结果表明,加大侧斜,可以减小桨叶表面空泡面积,对于非定常流动表现更为明显;无论定常还是非定常流动,桨叶剖面设计对螺旋桨空泡性能影响很大,抗空化叶剖面的应用,可以大幅度地减小空泡面积,提高抗空化能力;采用非线性纵倾,在桨叶梢部可形成局部向压力面弯曲的形式,可以改善梢部的压力分布,减少梢部空泡面积,结合这种分布形式同样可以抑制梢涡,因而优化梢部纵倾分布也是减少空泡,降低螺旋桨空泡诱导脉动压力的一种措施。本文的研究分析工作,为空泡螺旋桨的优化设计提供了基础,同时也表明本文方法可以在螺旋桨优化设计过程中用来评估分析参数优化对空泡性能的影响。