冰-槳-流相互作用下的螺旋槳水動力性能研究.pdf

1、近年來，隨著國際社會對北極航道以及極地資源開采關注度逐漸提升，冰區(qū)船舶的研究受到更多的重視并取得了相當?shù)陌l(fā)展。冰區(qū)船舶航行的多工況性使其推進裝置的工作環(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中，與船艉部的螺旋槳發(fā)生相互作用，在螺旋槳上產生極端載荷，影響槳的水動力性能，甚至引起嚴重的噪聲、振動及空泡問題。
　　本文以勢流理論面元法與粘流CFD技術及模型試驗相結合的方式，對冰區(qū)工況下

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

3、原理，分別對從倒車到正車多個螺距角下不同幾何參數(shù)的槳葉產生的推力、轉矩，效率和轉葉力矩進行了計算，系統(tǒng)探討了多工況下調距過程中幾何參數(shù)對調距槳水動力參數(shù)的影響規(guī)律。同時模擬了不同工況下葉元體的畸變情況，分析了槳葉畸變對槳的水動力參數(shù)和轉葉力矩的影響。結果表明，正車和倒車工況造成的葉元體畸變對槳的水動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；葉剖面畸變對轉葉力矩的影響很小，但效率的影響明顯，在設計時考慮畸變影響有助于改善調距槳的水

4、動力性能。
　　以勢流理論多體定常面元法為基礎結合誘導速度迭代法，對非接觸狀態(tài)下的冰與螺旋槳的相互作用過程進行了數(shù)值模擬。選取IcepropellerⅠ冰級槳為模型，計算了其不同進速下的推力和轉矩，并將數(shù)值計算結果與和試驗值相對比，驗證了本文方法的準確性，同時分析了塊狀冰對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的各向誘導速度的影響。結果表明，槳前流場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生一個高伴流區(qū)，且高進速工況下伴流變化更為明顯。
　　為了進一步的研究冰與螺旋槳相互作用過程中，冰的幾何尺寸、空間位置對螺旋槳水動力性能的影響規(guī)律。以冰槳干擾的定常計算方法為基礎，開展了冰對螺旋槳定常性能影響的初步研究。探討了不同寬度、厚度和長度的冰塊以及冰處于槳前不同的軸向和徑向位置時，冰槳干擾作用對槳的推力、轉矩及效率的影響情

6、況，并對切削形冰與螺旋槳的相互作用的定常問題進行了初步預報。結果表明，冰對螺旋槳的影響是由冰在螺旋槳前所產生的干擾伴流區(qū)域位于槳盤面以內部分的面積以及干擾伴流區(qū)域與槳的相對位置共同決定的。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時冰的干擾可以忽略。在槳盤面范圍內，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、厚度對槳性能影響較大，而長度的變化帶來的影響較小。<

7、br>　　基于勢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題的求解方法。其中，冰模型以無升力體的準定常面元法理論來計算其誘導速度對螺旋槳的干擾，而螺旋槳以升力體的非定常面元法理論來計算其誘導速度對冰模型的干擾，通過迭代計算來求解冰槳之間的相互作用，直到螺旋槳的非定常水動力性能收斂為止。基于本方法對單塊冰、多塊冰以及各種形狀的冰模型的冰阻塞效應下螺旋槳的推力、轉矩和軸向力的波動等非定常水動力性能進行計

8、算，并對不同冰槳間距、不同冰槳位置、不同冰模型大小等情況下的冰阻塞效應下的非定常特性進行分析。結果表明，本文建立的計算方法能夠較好的反應冰槳干擾的非定常特性；冰塊在槳盤沿徑向的變化時推力和轉矩的幅值的主要成分均是以一階為主；冰模型的形狀對各階推力和轉矩的主要成分影響不大，但會影響各階幅值的大小。
　　以粘性流體力學理論為基礎，基于重疊網格技術，對冰槳切削工況下的冰級螺旋槳水動力性能及周圍流暢特征進行了模擬預報。計算中整個流域采用切

9、割體網格，螺旋槳旋轉計算域與冰表面計算域之間采用重疊網格方法進行數(shù)據(jù)傳遞，在螺旋槳、近槳冰面以及冰槳間隙處的對網格進行了局部加密處理，來保證該區(qū)域流場細節(jié)的獲得及數(shù)據(jù)信息的準確性。同時采用SST k??湍流模型，計算分析了不同間隙下切削形冰對螺旋槳的水動力參數(shù)、表面壓力及流場的影響情況。結果表明，本文采用的基于重疊網格的粘流計算方法與對求解冰槳干擾問題具有較好的適用性和可靠性；當槳葉進入冰流域后，在葉面導邊靠近葉稍區(qū)域壓力梯度的變化會增