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螺旋桨在粘性不同伴流场中的水动力性能分析

日期:2015-06-21

摘要:螺旋桨在粘性均匀伴流场和非均匀伴流场中的水动力性能分析

桨盘面处的伴流分布,图谱设计时仅考虑平均伴流分数,而理论设计需要计入伴流场的影响。目前仍然依赖于模型试验得到标称伴流场的数据,经过理论计算得到实船的标称伴流场作为螺旋桨水动力性能计算的计算条件。实际应用时需要判断螺旋桨工作的流场状态,均匀伴流或是非均匀伴流。在随后的模拟过程中实现均匀伴流场和非均匀伴流场的方式差异很大,判断模拟过程趋于稳定的方法也完全不同。

均匀流场中最常用的方法就是通过改变来流速度的大小来实现进速系数的变化,对于不同的进速系数在模拟过程中要保证相同的雷诺数。由雷诺数的定义Rn=nD2/ν,以及进速系数的定义J=Va/nD,通过改变入流速度大小的同时保持螺旋桨转速不变可以获得均匀流场。均匀流场中,某一进速系数下螺旋桨的水动力系数最终趋于稳定,在某一进速系数时推力系数随时间变化的曲线图基本趋于稳定时,可以认为此时的推力系数即为该进速系数下的计算结果。对于非均匀流场,由于同一进速系数下螺旋桨的水动力系数不断变化,需要在一个完整的旋转周期上考察数值模拟的稳定性。提取某一桨叶在不同位置的推力系数,比较每个完整圆周上同一位置上同一个桨叶的推力系数,从而判断计算的稳定性。
螺旋桨大多工作在非均匀海洋或河流环境下,研究其在非均匀流场中的水动力性能更具有实际意义。对于如何实现非均匀伴流场的问题,国内外学者已进行过相关研究,Takayuki WATANABE使用K-ω湍流模型模拟了非均匀伴流场中孤立螺旋桨的非定常水动力性能,他通过Fluent软件提供的UDF自定义函数来实现伴流场的非均匀性。ClausD.Simonsen将完整的螺旋桨和船体作为一个整体来求解,从而实现伴流场的非均匀性。我国学者沈海龙等在计算船体粘性非均匀伴流场中螺旋桨非定常水动力性能时综合采用TakayukiWATANABE和ClausD.Simonsen实现伴流的方法,分别计算了非均匀伴流场中Seiun-MaruHSP螺旋桨和某集装箱船KP505螺旋桨的非定常水动力性能。在Seiun-MaruHSP螺旋桨的数值模拟中,通过Fluent软件提供的UDF自定义函数将自行编写的非均匀伴流场控制程序与求解器结合起来实现了非均匀伴流场中螺旋桨的非定常数值模拟。
 

标签: 螺旋桨(85) 船用螺旋桨加工(62)