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基于粘流/势流耦合的螺旋桨性能预报方法研究

黄璐  
【摘要】:螺旋桨数值模拟的主要研究方法有势流方法、粘流方法。势流方法发展的较为成熟,在螺旋桨的设计和预报工作中多有应用。粘流方法也已经广泛的应用到螺旋桨性能预报如空泡性能、噪声性能等方面。两种方法各有利弊,势流方法未能考虑流体粘性,但计算速度快;粘流方法能捕捉流场精细结构,但计算耗时。本文尝试结合两方法优点,探究粘流/势流耦合方法在螺旋桨性能预报上的应用。本文首先采用面元法进行了螺旋桨水动力性能的势流预报,预报时采用不同尾涡模型进行计算,分析了表面压力和径向环量分布,并讨论了线性尾涡模型和收缩尾涡模型对预报精度的影响。考虑到势流方法无法预报螺旋桨周围流场的精细结构,采用CFD商业软件Fluent进行了螺旋桨水动力性能粘性流预报,计算精度较高。同时,还分析了螺旋桨桨盘面处轴向、周向、径向的速度分布及桨后流场的涡量分布。该部分工作为后续螺旋桨尾涡模型的构建和各预报方法精度的对比分析做好了准备。粘流/势流耦合方法中势流计算所采用的尾涡模型需要根据粘性流预报的结果提取。所以本文首先基于螺旋桨水动力性能粘性流预报的结果,采用后处理软件提取尾流场主要参数,并用数据分析软件进行回归分析,拟合出无侧斜桨、带侧斜桨和考虑空泡影响的尾涡模型数学表达式。其次,采用新构建的尾涡模型对敞水性能和桨叶表面压力分布进行了验证计算,计算结果与模型试验吻合较好,验证了粘/势耦合方法的可行性。同时,还针对粘性修正对转矩系数的影响进行了相关的讨论。最后对比分析了势流方法、粘流方法及粘流/势流耦合方法的计算精度,并给出了预报方法和尾涡模型的选择建议。


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