螺旋桨空泡性能及低噪声螺旋桨设计研究

论文摘要

随着现代水下声探测技术的发展，舰船声隐身性能成为造船界普遍关注的问题。其中，作为舰船三大噪声源之一的螺旋桨空泡噪声已受到越来越多的关注，本文从理论和实验两个方面系统地研究螺旋桨的空泡噪声，并建立了以降噪为目的的螺旋桨优化设计方法。在船尾非定常流动中工作的螺旋桨，常常由于桨叶负荷过大而产生空泡，从而引起强烈的辐射噪声，降低舰船的隐身性能，为了降低空泡螺旋桨的辐射噪声，必须从螺旋桨设计入手，在额定工作状态下，避免或延缓空泡的发生。增加螺旋桨空泡斗的宽度，控制空泡发生的范围，尽量避免泡状空泡的发生。论文分析了国内外螺旋桨辐射噪声的技术特点，详细地介绍了螺旋桨空泡噪声的研究现状，分析了低噪声螺旋桨设计中存在的问题和解决策略，从降低螺旋桨的关键技术入手，提出了低噪声螺旋桨的优化设计方法。论文用理论方法系统地研究了均匀流场和非均匀流场中的螺旋桨的性能预报问题，并编制了相应的数值程序，其中包括螺旋桨定常水动力性能预报和螺旋桨非定常水动力性能预报。用基于速度势的低阶面元法预报了螺旋桨的定常水动力性能。由格林公式推导出该问题的积分方程；用物面不可穿透条件、无穷远条件、库塔条件等作为方程的定解条件；螺旋桨的非定常水动力性能采用时域方法求解，为了减少计算时间和降低计算机的存储量，论文采用了主桨叶方法，其他桨叶上的未知量均可由主叶片按一定相位角推算，在计算的每一时间步长的计算方法基本上与定常时相同。论文用面元法预报了螺旋桨的空泡性能，包括空泡的长度、厚度、体积等。用格林公式导出该问题的积分方程，运动学边界条件、动力学边界条件、无穷远条件、库塔条件等作为方程的定解条件，理论计算结果和试验结果吻合良好。论文同时对螺旋桨的空泡问题进行了试验研究，用实验手段记录了螺旋桨空泡的发生、发展等过程，并将其作为螺旋桨空泡性态预报的校核依据，最后论文用仿真软件对非定常流动中螺旋桨的空泡形态进行了模拟，可以更直观讨论非均匀流动中螺旋桨空泡性态的变化过程。论文讨论了不同参数对螺旋桨空泡性能的影响，并建立了低噪声螺旋桨的优化设计方法，以面元法作为基本的数值方法，用样条曲面模拟螺旋桨表面形状，当螺旋桨在非均匀流场中运转时，根据桨叶表面的压力分布在数值程序中自动调整样条曲面的基函数，使得桨叶表面的压力分布更为平均，同时尽量增大桨叶表面的最小压力，避免或延缓空泡的发生。试验表明，用该方法设计的螺旋桨辐射噪声比母型桨有明显的降低。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 概述
• 1.2 螺旋桨理论方法的研究进展
• 1.3 螺旋桨性能预报研究现状
• 1.3.1 螺旋桨定常水动力性能
• 1.3.2 螺旋桨非定常水动力性能
• 1.3.3 螺旋桨空泡性能预报
• 1.3.4 空泡运动模型及空泡噪声
• 1.3.5 螺旋桨设计方法
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 面元法预报螺旋桨的定常水动力性能
• 2.1 面元法概述
• 2.2 积分方程的建立
• 2.3 螺旋桨的几何形状表达
• 2.4 积分方程的数值解法
• 2.5 数值计算结果
• 2.6 影响计算结果的几个参数
• 2.6.1 面元数及面元划分形式的影响
• 2.6.2 桨毂的影响
• 2.6.3 粘性影响
• 2.5 本章小结
• 第3章 螺旋桨非定常水动力性能研究
• 3.1 基本公式
• 3.2 数值计算过程
• 3.3 数值计算结果
• 3.3.1 DTMB4679螺旋桨计算结果
• 3.3.2 HSP螺旋桨计算结果
• 3.4 本章小结
• 第4章 螺旋桨空泡性能预报
• 4.1 概述
• 4.2 计算原理
• 4.2.1 积分方程的建立
• 4.2.2 边界条件的确定
• 4.3 数值求解方法
• 4.4 数值计算结果
• 4.4.1 定常状态下螺旋桨空泡性能
• 4.4.2 非均匀来流中螺旋桨的空泡性能
• 4.5 螺旋桨空泡形态的试验研究
• 4.6 螺旋桨空泡形态的软件模拟
• 4.7 本章小结
• 第5章 螺旋桨空泡辐射噪声研究
• 5.1 概述
• 5.2 球形空泡的静力平衡条件
• 5.3 理想球形空泡运动方程及其求解
• 5.3.1 理想球形空泡运动方程
• 5.3.2 空泡运动方程的求解
• 5.4 球形空泡辐射噪声
• 5.5 螺旋桨片状空泡辐射噪声计算
• 5.6 本章小结
• 第6章 螺旋桨设计方法研究
• 6.1 概述
• 6.2 设计流程
• 6.3 最佳环量分布的确定
• 6.4 降低噪声螺旋桨的优化设计方法
• 6.4.1 桨叶参数的选择
• 6.4.2 提高螺旋桨效率的设计方法
• 6.4.3 低噪声螺旋桨设计方法
• 6.5 本章小结
• 第7章 螺旋桨噪声试验
• 7.1 试验模型
• 7.2 试验设备
• 7.3 伴流场模拟
• 7.4 试验工况和试验方法
• 7.4.1 空泡起始试验
• 7.4.2 噪声测量试验
• 7.5 试验结果
• 7.5.1 桨叶空泡和空泡起始试验结果
• 7.5.2 噪声测量结果
• 7.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 附录