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冰—桨—流相互作用下的螺旋桨水动力性能研究

王国亮  
【摘要】:近年来,随着国际社会对北极航道以及极地资源开采关注度逐渐提升,冰区船舶的研究受到更多的重视并取得了相当的发展。冰区船舶航行的多工况性使其推进装置的工作环境较常规船舶有很大不同,特别是在破冰航行状态,碎冰沿船体表面下浸至船底,并滑入螺旋桨前流场中,与船艉部的螺旋桨发生相互作用,在螺旋桨上产生极端载荷,影响桨的水动力性能,甚至引起严重的噪声、振动及空泡问题。本文以势流理论面元法与粘流CFD技术及模型试验相结合的方式,对冰区工况下螺旋桨的载荷及性能进行了深入研究,分析了多工况下螺旋桨的水动力性能,开展了冰干扰下螺旋桨的定常及非定常性能计算方法研究,探讨了冰的几何参数空间位置对螺旋桨水动力性能的影响规律,进行了粘性流场中冰与螺旋桨相互干扰的非定常分析,最后对非接触工况下冰与螺旋桨的相互作用问题开展了系列模型试验研究,同时与理论和数值计算方法进行了对比验证。为了探讨冰区多工况下螺旋桨的水动力性能,本文以调距桨为研究对象,采用螺旋桨面元法理论结合叶元体畸变原理,分别对从倒车到正车多个螺距角下不同几何参数的桨叶产生的推力、转矩,效率和转叶力矩进行了计算,系统探讨了多工况下调距过程中几何参数对调距桨水动力参数的影响规律。同时模拟了不同工况下叶元体的畸变情况,分析了桨叶畸变对桨的水动力参数和转叶力矩的影响。结果表明,正车和倒车工况造成的叶元体畸变对桨的水动力性能以及叶剖面压力系数分布的影响规律有很大差别;叶剖面畸变对转叶力矩的影响很小,但效率的影响明显,在设计时考虑畸变影响有助于改善调距桨的水动力性能。以势流理论多体定常面元法为基础结合诱导速度迭代法,对非接触状态下的冰与螺旋桨的相互作用过程进行了数值模拟。选取Icepropeller Ⅰ冰级桨为模型,计算了其不同进速下的推力和转矩,并将数值计算结果与和试验值相对比,验证了本文方法的准确性,同时分析了块状冰对螺旋桨的各半径处翼型剖面压力分布、径向环量分布以及不同盘面处流场的各向诱导速度的影响。结果表明,桨前流场中冰的存在将使得螺旋桨各半径处叶剖面的压力分布发生改变,且桨叶吸力面的压力变小,压力面的压力增大,进而使螺旋桨总推力增加。此外,冰的阻塞作用将在螺旋桨盘面处产生一个高伴流区,且高进速工况下伴流变化更为明显。为了进一步的研究冰与螺旋桨相互作用过程中,冰的几何尺寸、空间位置对螺旋桨水动力性能的影响规律。以冰桨干扰的定常计算方法为基础,开展了冰对螺旋桨定常性能影响的初步研究。探讨了不同宽度、厚度和长度的冰块以及冰处于桨前不同的轴向和径向位置时,冰桨干扰作用对桨的推力、转矩及效率的影响情况,并对切削形冰与螺旋桨的相互作用的定常问题进行了初步预报。结果表明,冰对螺旋桨的影响是由冰在螺旋桨前所产生的干扰伴流区域位于桨盘面以内部分的面积以及干扰伴流区域与桨的相对位置共同决定的。冰的干扰随轴向距离则增加而减小,且在轴向距离DA=2R之前变化十分明显,DA5R时冰的干扰可以忽略。在桨盘面范围内,干扰影响随着冰块径向位置的增大而增大,并在0.7R位置附近取得最大值。冰的宽度、厚度对桨性能影响较大,而长度的变化带来的影响较小。基于势流理论升力体与非升力体干扰的非定常多体面元法,建立了非接触状态下冰桨非定常干扰问题的求解方法。其中,冰模型以无升力体的准定常面元法理论来计算其诱导速度对螺旋桨的干扰,而螺旋桨以升力体的非定常面元法理论来计算其诱导速度对冰模型的干扰,通过迭代计算来求解冰桨之间的相互作用,直到螺旋桨的非定常水动力性能收敛为止。基于本方法对单块冰、多块冰以及各种形状的冰模型的冰阻塞效应下螺旋桨的推力、转矩和轴向力的波动等非定常水动力性能进行计算,并对不同冰桨间距、不同冰桨位置、不同冰模型大小等情况下的冰阻塞效应下的非定常特性进行分析。结果表明,本文建立的计算方法能够较好的反应冰桨干扰的非定常特性;冰块在桨盘沿径向的变化时推力和转矩的幅值的主要成分均是以一阶为主;冰模型的形状对各阶推力和转矩的主要成分影响不大,但会影响各阶幅值的大小。以粘性流体力学理论为基础,基于重叠网格技术,对冰桨切削工况下的冰级螺旋桨水动力性能及周围流畅特征进行了模拟预报。计算中整个流域采用切割体网格,螺旋桨旋转计算域与冰表面计算域之间采用重叠网格方法进行数据传递,在螺旋桨、近桨冰面以及冰桨间隙处的对网格进行了局部加密处理,来保证该区域流场细节的获得及数据信息的准确性。同时采用SST k-ω湍流模型,计算分析了不同间隙下切削形冰对螺旋桨的水动力参数、表面压力及流场的影响情况。结果表明,本文采用的基于重叠网格的粘流计算方法与对求解冰桨干扰问题具有较好的适用性和可靠性;当桨叶进入冰流域后,在叶面导边靠近叶稍区域压力梯度的变化会增大,并出现明显的高压区,且高压区范围随着桨叶旋入面积的增加而增大。本文在哈尔滨工程大学水平循环水槽中,分别对冰桨相互作用过程中不同进速下、不同尺寸冰作用下以及不同冰桨相对位置下的干扰水动力性能进行了试验测量。以Icepropeller Ⅰ桨为模型桨,并进行试验测量结果与计算结果相互验证。结果显示本文的模型试验结果与计算结果的具有较好的一致性,验证了本文方法的可靠性和准确性。


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