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非均匀流场中螺旋桨性能预报和理论设计研究

谭廷寿  
【摘要】: 在船尾非均匀流场中工作的螺旋桨,常常由于桨叶上产生了非定常空泡,导致船尾振动和螺旋桨噪声,致使桨叶表面出现空泡剥蚀。为了避免或减缓空泡带来的危害,采用螺旋桨理论设计方法和空泡性能优良的桨叶剖面来增加空泡斗宽度和控制桨叶空泡范围及空泡类型,以适应非均匀流场中螺旋桨工作的需要。 本文采用理论方法系统地研究了非均匀流场中螺旋桨性能预报和理论设计问题。用谐调分析方法把面元法巧妙地应用于螺旋桨非定常性能预报,并开发了计算程序。采用广义逆矩阵方法解决了谐调分析方法中的非线性等压库塔条件问题,这在国内尚属首次。频域法与常规的时间步进法相比,可以节省大量的计算机时间,对于需要大量迭代过程的复杂问题尤为重要。实例计算结果表明本方法是可靠和有效的,在螺旋桨水动力性能预报和压力分布等方面的计算是非常成功的。 改进了现有的升力线和升力面设计方法,在升力线设计中计及桨叶的纵倾和侧斜的影响,用优化理论求解最佳环量分布,升力面设计中用B样条来拟合桨叶,将物面边界条件转化为求法向速度分量的平方最小,由此可得到光顺的桨叶几何形状,提高和改进了设计质量。通过对已有的螺旋桨重新设计,结果表明本文所创建的方法具有较高的精度和可靠性。 提出了保持剖面空泡特征不变的有效运转曲线的思想和确定方法,在升力线和升力面的基础上,应用有效运转曲线控制空泡类型,采用“新剖面”设计方法扩大空泡斗宽度,其空泡斗宽度比常规剖面增加近30%左右。能有效地改善非均匀流场中螺旋桨的空泡性能。解决了非均匀流场中螺旋桨设计问题。 本文把升力线和升力面设计方法、基于面元法预报螺旋桨非定常性能的谐调分析方法,新剖面设计方法、有效运转曲线计算方法组合为一套完整的非均匀流场中螺旋桨设计计算系统,经实例设计和模型试验及实船的应用,该设计系统是可靠且有效的。本设计系统适用于船尾流场为斜流的高速船和船尾流场及不均匀的肥大船,具有极高的实用价值。


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