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基于数值方法模拟螺旋桨诱导的脉动压力

刘迪  
【摘要】:船舶的振动问题一直是一个人们非常关注的问题,振动会带来一系列的不良影响,甚至破坏船体结构。据统计有大约70%的船体振动是由螺旋桨引起,多年来,由螺旋桨诱导的脉动压力始终成为关注的对象。对于脉动压力的研究,传统的理论方法过于繁杂,应用性不强;模型试验受限于环境导致耗资甚巨;经验公式法又存在较大的局限性。计算流体力学(CFD)作为一门新分支在流体的模拟问题上开辟了新的道路。电子计算机性能的飞速升级,加之理论的持续完善,CFD方法的优势慢慢显露。本文将使用CFD方法模拟船尾部的流场,并提取出各种相关信息,对螺旋桨引起的脉动压力进行预估。本文首先对数值计算方法进行了可行性的检验,模拟了目前相对已经比较成熟的螺旋桨敞水性能。模拟中分别采用了标准k-ε, RNG k-δ和雷诺应力三种湍流模型进行对比。计算的结果与螺旋桨敞水图谱进行对比,得出了最适合的湍流模型,并绘制出数值模拟得出的螺旋桨敞水性能曲线,验证了CFD数值方法的可靠性。之后还分析了螺旋桨表面压力分布和尾流分布情况,体现了数值模拟可以获取整个流场中多种信息的优点。之后对受船体影响的螺旋桨实现了瞬态的数值模拟,模拟了整个船尾部流场。根据得到的信息可以提取出桨在船体影响作用下的各种动力性能;通过预设的监测点可以对流场中任意位置压强进行实时监测,从而整理出螺旋桨诱导的脉动压力的波动曲线,并通过快速傅里叶变换分析其各频率下的成分组成。通过改变转速和船舶速度对比转速和速度对脉动压力幅值的影响。最后,又计算模拟了桨-舵互相影响下的船舶尾部流场,得到监测点的脉动压力值,讨论了舵的存在对脉动压力的影响。


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