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船用螺旋桨敞水和空化性能CFD预报

赵鹏飞  
【摘要】:螺旋桨是目前船舶领域广泛使用的推进器。工作于船后的螺旋桨会受到船体产生的伴流的影响,造成其水动力性能下降和振动现象。为了改善螺旋桨在船后非均匀尾流场中的振动和空化性能,螺旋桨桨叶通常要具有一定侧斜角度甚至大侧斜。根据不同理论设计的侧斜桨实际使用时能否达到设计要求,通常需要经过实验或理论验证。 本文应用计算流体力学方法(CFD),通过求解粘性流体湍流流动的控制方程组(Navier-Stokes方程组)数值研究侧斜螺旋桨水动力性能包括敞水和空化性能。通过与实验结果进行比较,评价数值计算结果的可靠性和不同湍流模型的预报精度,为工程应用和理论研究提供参考。 在螺旋桨敞水性能模拟方面,本文首先选取常规螺旋桨MAU4-50,使用标准二方程κ-ε湍流模型。计算得到的推力、扭矩系数和效率与试验值吻合较好。推力和扭矩系数的相对误差分别为3.85%和6.]5%。在此基础上,对一大侧斜螺旋桨的敞水性能进行了计算。研究和分析了非结构网格区域大小和不同湍流模型对计算结果的影响。三种湍流模型即k-c,SST和雷诺应力模型得到的推力和扭矩系数在主要工作工况下的相对误差均在10%以内,其中雷诺应力模型的误差最小。此外,研究了侧斜分布对螺旋桨敞水性能的影响。 对于船后非均匀来流下螺旋桨空化性能的研究,本文首先使用全空化模型和Z-G-B空化模型对二二维水翼的空化进行模拟计算,探索两种空化模型对空化流动计算的准确度。通过修改部分经验常数,获得的计算结果较为满意。然后使用修改后的Z-G-B模型对某一侧斜桨在船后非均匀来流条件下的空化现象进行模拟。结果表明空泡发生和消失位置以及空化区域与实验值吻合较好。最后修改该侧斜桨的侧斜分布,得到四个不同侧斜分布的螺旋桨,对这四个桨进行空化性能和振动性能研究,得到侧斜参数对空化性能和振动性能的影响规律。


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