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高阶面元法预报螺旋桨水动力性能

何海峰  
【摘要】: 随着世界航运和计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics)的不断发展,螺旋桨作为一种应用广泛的船舶推进装置也在不断发展中。采用理论计算方法设计螺旋桨具有更大的灵活性和适应性,同时,通过理论计算方法对螺旋桨的水动力性能进行准确的预报,对于避免不良设计所带来振动和噪声,进一步提高螺旋桨的效率有着重要的意义。因此,深入地研究如何准确地预报螺旋桨的水动力性能是非常重要的。 面元法是在实际物面上满足物面边界条件,没有对螺旋桨的几何形状做任何假设,能更精确地描述螺旋桨的复杂几何形状,其数学模型更加完善。用面元法不仅可以准确地预报螺旋桨的推力和转矩,而且可以准确地预报螺旋桨表面的压力分布。就当前国内外螺旋桨的研究发展水平而言,面元法已经被许多研究机构用来解决螺旋桨性能和压力分布的预报问题。为了提高计算精度,加速非线性迭代的收敛性,面元法正沿着由低阶向高阶的方向发展。 本文采用了一种基于B样条的高阶面元法预报螺旋桨的定常水动力性能,不但用B样条表达螺旋桨表面的几何形状,而且还用其表示螺旋桨表面的偶极子分布,B样条的应用提高了螺旋桨的几何以及偶极子密度表达的精度。在这种基于B样条的面元法中,由于插值多项式涉及附近的几个单元,而不像一般的面元法只限制在一个单元内,因此物体表面是光滑的,速度势函数及其导数由于采用样条函数表达,在整个物体表面也是连续的。并且,基于B样条函数对于插值的准确性,较为粗糙的网格划分也能得到比较精确的结果,而且提高了计算效率。 本文采用该方法计算了螺旋桨在定常条件下的推力、转矩和叶面压力分布,并与实验结果进行了比较和分析,其结果比较令人满意。本论文的研究为高阶面元法预报螺旋桨的水动力性能打下了一定的基础,对进一步提高面元法预报的精度具有一定的实用意义。


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