螺旋槳性能預報的速度勢面元法研究.pdf

1、船舶螺旋槳的設計和性能計算一直是流體力學領域中非常重要的課題之一。由于螺旋槳理論設計計算方法具有傳統(tǒng)方法無可比擬的靈活性和適應性，同時，通過理論計算方法對螺旋槳的水動力性能進行準確的預報，對于避免不良設計所帶來振動和噪聲，進一步提高螺旋槳的效率、改善螺旋槳性能有著重要的意義。因此，本文從升力面理論入手，對應用理論方法的螺旋槳性能預報進行了較為深入的研究。文章的重點放在了應用低階速度勢面元法預報螺旋槳性能及壓力分布上，并對現(xiàn)有的面元方法進

2、行了改進，提出了考慮局部流場特性的B樣條網(wǎng)格面元計算方法，同時改進了現(xiàn)有的尾渦模型。 尾渦模型一直是螺旋槳理論設計和計算方法中最為關鍵的問題之一，尾渦模型的好壞直接決定了螺旋槳性能預報結(jié)果的準確程度。但是由于尾渦問題的復雜性，很難獲得精確的尾渦幾何形狀，基于這個原因，本文對升力面渦格法的傳統(tǒng)經(jīng)驗尾渦模型進行了改進，在解析尾渦模式的基礎上，提出了一種新的尾渦近似方法。在過渡區(qū)，尾渦在選定扇形截面上解析地求出，在其它處通過非線性插值

3、求得，計算中利用了解析尾渦的特點同時減少了計算量。根據(jù)流體連續(xù)性方程確定尾渦的收縮半徑，避免了梢渦半徑的不收斂性，為螺旋槳設計和非設計工況下螺旋槳性能計算提供了一種有效的尾渦近似計算方法。 在應用低階速度勢面元法求解螺旋槳正問題的過程中，槳葉和槳轂表面離散為四邊形雙曲面元，在每個面元上布置強度相等的源匯和偶極子，螺旋槳尾渦面也離散為布置等強度偶極子的四邊形雙曲面元。在充分考慮了橫向流動對三維升力體的影響作用的前提下，對隨邊壓力相

4、等的非線性庫塔條件進行了研究，而面元影響系數(shù)通過 Morino 導出的解析公式計算得到。同時，應用新的方法獲得尾渦模型，在采用經(jīng)驗尾渦模型的基礎上，應用動量矩定理通過數(shù)值迭代并對個別尾渦參數(shù)進行確定，使其更適合重載螺旋槳的性能。通過大量的計算實例，驗證了本文計算方法及程序的有效性和適用性。 傳統(tǒng)的面元法均采用等半徑的網(wǎng)格劃分方式，但是這種處理方法并不能夠反應螺旋槳表面的流場特性。因此，本文在考慮螺旋槳表面流場特性的前提下，采用B

5、樣條網(wǎng)格劃分方法對槳葉表面單元進行剖分。弦向網(wǎng)格線在槳葉導邊處與外輪廓線正交，在隨邊處與流體的速度方向相一致。同時，在考慮流場特性的基礎上，對尾渦模型進行了改進，使得尾渦在離開槳葉隨邊處的方向與當?shù)亓鲃臃较蚧疽恢?。計算表明，基于流場特性的B樣條網(wǎng)格速度勢面元法不僅可以減少迭代次數(shù)，改善了程序的收斂性，而且在很大程度上提高了螺旋槳導邊附近的壓力預報精度，具有較好的數(shù)值穩(wěn)定性。 應用開發(fā)的速度勢面元法計算程序?qū)Φ跖撏七M器的水動力性