冰-槳-流相互作用下的螺旋槳水動(dòng)力性能研究.pdf

1、近年來(lái)，隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)北極航道以及極地資源開采關(guān)注度逐漸提升，冰區(qū)船舶的研究受到更多的重視并取得了相當(dāng)?shù)陌l(fā)展。冰區(qū)船舶航行的多工況性使其推進(jìn)裝置的工作環(huán)境較常規(guī)船舶有很大不同，特別是在破冰航行狀態(tài)，碎冰沿船體表面下浸至船底，并滑入螺旋槳前流場(chǎng)中，與船艉部的螺旋槳發(fā)生相互作用，在螺旋槳上產(chǎn)生極端載荷，影響槳的水動(dòng)力性能，甚至引起嚴(yán)重的噪聲、振動(dòng)及空泡問(wèn)題。
　　本文以勢(shì)流理論面元法與粘流CFD技術(shù)及模型試驗(yàn)相結(jié)合的方式，對(duì)冰區(qū)工況下

2、螺旋槳的載荷及性能進(jìn)行了深入研究，分析了多工況下螺旋槳的水動(dòng)力性能，開展了冰干擾下螺旋槳的定常及非定常性能計(jì)算方法研究，探討了冰的幾何參數(shù)空間位置對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響規(guī)律，進(jìn)行了粘性流場(chǎng)中冰與螺旋槳相互干擾的非定常分析，最后對(duì)非接觸工況下冰與螺旋槳的相互作用問(wèn)題開展了系列模型試驗(yàn)研究，同時(shí)與理論和數(shù)值計(jì)算方法進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證。
　　為了探討冰區(qū)多工況下螺旋槳的水動(dòng)力性能，本文以調(diào)距槳為研究對(duì)象，采用螺旋槳面元法理論結(jié)合葉元體畸變

3、原理，分別對(duì)從倒車到正車多個(gè)螺距角下不同幾何參數(shù)的槳葉產(chǎn)生的推力、轉(zhuǎn)矩，效率和轉(zhuǎn)葉力矩進(jìn)行了計(jì)算，系統(tǒng)探討了多工況下調(diào)距過(guò)程中幾何參數(shù)對(duì)調(diào)距槳水動(dòng)力參數(shù)的影響規(guī)律。同時(shí)模擬了不同工況下葉元體的畸變情況，分析了槳葉畸變對(duì)槳的水動(dòng)力參數(shù)和轉(zhuǎn)葉力矩的影響。結(jié)果表明，正車和倒車工況造成的葉元體畸變對(duì)槳的水動(dòng)力性能以及葉剖面壓力系數(shù)分布的影響規(guī)律有很大差別；葉剖面畸變對(duì)轉(zhuǎn)葉力矩的影響很小，但效率的影響明顯，在設(shè)計(jì)時(shí)考慮畸變影響有助于改善調(diào)距槳的水

4、動(dòng)力性能。
　　以勢(shì)流理論多體定常面元法為基礎(chǔ)結(jié)合誘導(dǎo)速度迭代法，對(duì)非接觸狀態(tài)下的冰與螺旋槳的相互作用過(guò)程進(jìn)行了數(shù)值模擬。選取IcepropellerⅠ冰級(jí)槳為模型，計(jì)算了其不同進(jìn)速下的推力和轉(zhuǎn)矩，并將數(shù)值計(jì)算結(jié)果與和試驗(yàn)值相對(duì)比，驗(yàn)證了本文方法的準(zhǔn)確性，同時(shí)分析了塊狀冰對(duì)螺旋槳的各半徑處翼型剖面壓力分布、徑向環(huán)量分布以及不同盤面處流場(chǎng)的各向誘導(dǎo)速度的影響。結(jié)果表明，槳前流場(chǎng)中冰的存在將使得螺旋槳各半徑處葉剖面的壓力分布發(fā)生改變，

5、且槳葉吸力面的壓力變小，壓力面的壓力增大，進(jìn)而使螺旋槳總推力增加。此外，冰的阻塞作用將在螺旋槳盤面處產(chǎn)生一個(gè)高伴流區(qū)，且高進(jìn)速工況下伴流變化更為明顯。
　　為了進(jìn)一步的研究冰與螺旋槳相互作用過(guò)程中，冰的幾何尺寸、空間位置對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響規(guī)律。以冰槳干擾的定常計(jì)算方法為基礎(chǔ)，開展了冰對(duì)螺旋槳定常性能影響的初步研究。探討了不同寬度、厚度和長(zhǎng)度的冰塊以及冰處于槳前不同的軸向和徑向位置時(shí)，冰槳干擾作用對(duì)槳的推力、轉(zhuǎn)矩及效率的影響情

6、況，并對(duì)切削形冰與螺旋槳的相互作用的定常問(wèn)題進(jìn)行了初步預(yù)報(bào)。結(jié)果表明，冰對(duì)螺旋槳的影響是由冰在螺旋槳前所產(chǎn)生的干擾伴流區(qū)域位于槳盤面以內(nèi)部分的面積以及干擾伴流區(qū)域與槳的相對(duì)位置共同決定的。冰的干擾隨軸向距離則增加而減小，且在軸向距離 DA=2R之前變化十分明顯，DA>5R時(shí)冰的干擾可以忽略。在槳盤面范圍內(nèi)，干擾影響隨著冰塊徑向位置的增大而增大，并在0.7R位置附近取得最大值。冰的寬度、厚度對(duì)槳性能影響較大，而長(zhǎng)度的變化帶來(lái)的影響較小。<

7、br>　　基于勢(shì)流理論升力體與非升力體干擾的非定常多體面元法，建立了非接觸狀態(tài)下冰槳非定常干擾問(wèn)題的求解方法。其中，冰模型以無(wú)升力體的準(zhǔn)定常面元法理論來(lái)計(jì)算其誘導(dǎo)速度對(duì)螺旋槳的干擾，而螺旋槳以升力體的非定常面元法理論來(lái)計(jì)算其誘導(dǎo)速度對(duì)冰模型的干擾，通過(guò)迭代計(jì)算來(lái)求解冰槳之間的相互作用，直到螺旋槳的非定常水動(dòng)力性能收斂為止?；诒痉椒▽?duì)單塊冰、多塊冰以及各種形狀的冰模型的冰阻塞效應(yīng)下螺旋槳的推力、轉(zhuǎn)矩和軸向力的波動(dòng)等非定常水動(dòng)力性能進(jìn)行計(jì)

8、算，并對(duì)不同冰槳間距、不同冰槳位置、不同冰模型大小等情況下的冰阻塞效應(yīng)下的非定常特性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，本文建立的計(jì)算方法能夠較好的反應(yīng)冰槳干擾的非定常特性；冰塊在槳盤沿徑向的變化時(shí)推力和轉(zhuǎn)矩的幅值的主要成分均是以一階為主；冰模型的形狀對(duì)各階推力和轉(zhuǎn)矩的主要成分影響不大，但會(huì)影響各階幅值的大小。
　　以粘性流體力學(xué)理論為基礎(chǔ)，基于重疊網(wǎng)格技術(shù)，對(duì)冰槳切削工況下的冰級(jí)螺旋槳水動(dòng)力性能及周圍流暢特征進(jìn)行了模擬預(yù)報(bào)。計(jì)算中整個(gè)流域采用切

9、割體網(wǎng)格，螺旋槳旋轉(zhuǎn)計(jì)算域與冰表面計(jì)算域之間采用重疊網(wǎng)格方法進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞，在螺旋槳、近槳冰面以及冰槳間隙處的對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行了局部加密處理，來(lái)保證該區(qū)域流場(chǎng)細(xì)節(jié)的獲得及數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。同時(shí)采用SST k??湍流模型，計(jì)算分析了不同間隙下切削形冰對(duì)螺旋槳的水動(dòng)力參數(shù)、表面壓力及流場(chǎng)的影響情況。結(jié)果表明，本文采用的基于重疊網(wǎng)格的粘流計(jì)算方法與對(duì)求解冰槳干擾問(wèn)題具有較好的適用性和可靠性；當(dāng)槳葉進(jìn)入冰流域后，在葉面導(dǎo)邊靠近葉稍區(qū)域壓力梯度的變化會(huì)增