大侧斜可调桨敞水性能分析

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1、武汉理工大学硕士学位论文1．1背景及意义第1章绪论船舶在水面上保持一定航速航行，必须要供给它一定的推力以克服船体的阻力，螺旋桨是目前使用最广泛的船舶推进器。因此，螺旋桨流场和水动力性能以及它与船体的相互作用一直是船舶设计人员非常关心的问题。船舶螺旋桨流动以边界层、桨叶尾流和涡流动为基本特征。船舶螺旋桨工作于船后尾流场，同时与船体尾流场相互干扰，因此螺旋桨周围流场非常复杂，准确可靠地预报螺旋桨流场具有非常重要的工程实际意义，是螺旋桨水动力性能、水动力噪声研究的基础。对于螺旋桨水动力性能研究，数值方法是不可或缺的工具，螺旋桨水动力性能数值研究，在过去很长一段时间中，～直是基于不考虑粘性作用的势流

2、理论方法建立起来的，如定常、非定常流动的升力面理论、面元法等【I】。螺旋桨桨叶是沿螺旋线运动的翼，螺旋桨升力线模型是从机翼升力线模型的概念引申过来的。把螺旋桨的桨叶用一根由叶根到叶稍的升力线来代替，升力线的涡强度是沿展向变化的，因此，从升力线上向下游脱出一个螺旋形自由涡面。升力线和尾涡面所诱导的速度改变了各剖面的攻角，由各二维翼型剖面的水动力叠加，可以得到整个桨的推力和扭矩。升力线方法比较简单，在螺旋桨设计问题中曾经起过重要作用，现在仍然在使用。但是，由于船舶螺旋桨叶片是一个小展弦比翼，对于这样的叶片，用升力线理论求解，精度往往是不够的，它并不满足物面上边界条件，仅仅是在考虑自由涡面的下洗速

3、度后，仍按照二维机翼剖面的方法来处理问题。为了真正用三维问题的处理方法研究螺旋桨水动力特性，于是发展了升力面理论方法。升力面理论采用薄翼理论的概念，它把桨叶的厚度和拱度的影响分开处理，然后线性叠加，用涡分布(包括附着涡和自由涡)考虑拱度效应，用源汇分布考虑厚度效应。升力面方法在上世纪的80年代中期已经成熟，由于它的计算量适应当时计算机硬件技术的发展，因此在当时推进器设计和性能预报方面起了主导作用。武汉理工大学硕士学位论文面元法是一种奇点分布方法，在计算机发展后才真正得到广泛应用，它以Hess-Smith的工作为标志。面元法将奇点分布在螺旋桨物面和尾涡面上，求解螺旋桨边值问题，从而得到螺旋桨水

4、动力特性。面元法在预报压力分布方面比升力线方法要好。面元法有基于速度场和基于速度势的面元法两种，目前在船舶螺旋桨方面，大多采用基于速度势的面元法。面元法发展至今已比较成熟，在螺旋桨性能研究和设计方面发挥了重要作用【2】。上述升力线理论、升力面理论及面元法均是基于流体为无粘假定下的势流方法，粘性效应只是根据试验或经验来进行修正。虽然传统的螺旋桨理论已发展到相当的水平，并已应用到螺旋桨的设计和预报中，但是，这类方法有它们自身无法克服的缺点。首先是势流方法忽略了粘性影响，就不能正确预报与螺旋桨噪声直接有关的螺旋桨流场的流动信息，如梢涡的形成、尾涡的结构和流动分离等，更不能考虑由于雷诺数相关悬殊而造

5、成的模型桨和实桨之间的尺度效应关系；其次，势流理论需要凭经验来假设尾涡面的形状，而且这对螺旋桨参数非常敏感。为了克服势流方法的这些缺点，近年来国内外不少科研工作者已开始尝试采用CFD方法来获得船舶螺旋桨周围的粘性流场及其上述的一些重要流动特征。’1．2国内外相关研究进展随着求解粘性流体的RANS方程的计算流体力学的发展，船舶推进器的CFD方法近二十年来也有了很大的发展，从早期的三维边界层方法到上一世纪80年代求解简化的螺旋桨模型的RANS方法，至上世纪90年代人们已可以对均匀来流中的螺旋桨的真实几何形状进行CFD计算【3．15l。1．2．1可调桨的优点可调螺距螺旋桨自上世纪初问世以来至U19

6、30年后有了进一步的发展。最初是运用在操纵性要求较高的渡轮上以及诸如拖轮和拖网渔船这种不仅在高速，而且在低速时也要求能吸收全功率的船上若干年后，可调螺距螺旋桨的其它一些优越性也显示出来了，诸如在多主机的船上，当需要单机或多台柴油机运行时，可调螺距螺旋桨的灵活的适应性，轴带恒速发电机的可能性与减少主机磨损，2武汉理工大学硕士学位论文简化了自动化等大大地扩大了可调螺距螺旋桨的市场。今天．各种可调螺距螺旋桨已被广泛地应用于各种商船及军舰上。可调桨的优点可简要归纳如下：(1)在任何航行条件下均可充分利用主机的全部功率；(2)在不改变主机转速的情况下，可借调节螺距适应船舶的各种航行状态。可以缩短船舶从

7、全速航行至后退所需的时间及距离，船舶的操纵性能得到显著的改善；(3)因船舶在前进、减速、后退等过程中可完全不改变主机的转速及转向，故主机的调速次数显著减少，减轻了机器部件的磨损程度，延长主机使用期限。对于柴油机或涡轮机船舶来说，采用可调桨后可省去主机的整套换向装置；(4)若同时改变主机转速11及螺距比P／D并使之配合适当，则可使船舶在一定时消耗的燃料为最少，因而改善了船舶的续航力及经济性：(5)多螺旋桨船在航