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水面船舶螺旋桨诱导激振力数值预报分析

李亮  
【摘要】:螺旋桨在船尾三向非均匀伴流场中工作会产生周期性变化的激励力,使得船体水下噪声和船体振动显著增强,因此人们对螺旋桨诱导激振力的变化规律和预报方法也是极为关切。由于在船尾工作的螺旋桨与船舵之间的耦合作用复杂,要想准确预报螺旋桨激振力,无论是理论计算还是试验测量都还具有一定难度,随着CFD数值计算方法的日益成熟,运用数值方法预报和分析螺旋桨诱导激振力不失为一个有效的方法。本文选取KCS船与KP505螺旋桨作为主要研究对象,在FLUENT中建立数值水池模型,利用RANS方法和VOF模型,开展了模型和实船尺度下船桨舵一体并考虑自由液面影响条件下的螺旋桨诱导激振力数值预报研究。同时,模型尺度时还针对斜流工况下DTMB4679单桨和KCS船桨舵一体进行了螺旋桨诱导激振力数值计算分析,以获得不同斜流角下激振力变化规律。为了验证本文计算方法的准确性,首先对WP03桨进行敞水性能和空化性能校核,进而再对KCS船和KP505桨进行船模自航计算,结果显示计算值与试验值均吻合良好,预报精度满足水动力计算要求。然后基于瞬态二相流计算监测得到船桨舵一体螺旋桨非定常轴承力和诱导脉动压力的时域数据,并通过快速傅里叶变换分析其频谱特性。斜流作为一种相对简单的非均匀来流,为了探讨斜流中螺旋桨诱导激振力的变化的一般规律,对DTMB4679螺旋桨斜流中的非定常水动力性能进行计算,主要考察了桨叶表面压力分布,分析了单片桨叶的受力变化。然后监测获取不同工况下的螺旋桨激振力数据,以总结出斜流条件下进速系数和斜流角度对螺旋桨诱导激振力的影响规律。在此基础上,进一步对不同漂角下KCS船桨舵一体螺旋桨诱导激振力进行预报,结果显示随着漂角的不断增大,船体阻力、侧向力和艏摇力矩系数也不断增大。同时,无论是叶频还是倍叶频处,推力、转矩和船体表面力脉动峰值在有漂角时均要大于直航状态。为了考虑激振力尺度效应的影响,首先开展实尺度的船桨自航模拟,确定其自航点,然后计算得到了实尺度船体周围流场和螺旋桨激振力,并与模型计算结果对比,发现实船伴流场更不均匀,导致实船激振力均要大于船模,建议在基于模型试验结果设计螺旋桨时应考虑留出一定余量。


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