螺旋桨漩涡发放数值模拟

论文摘要

螺旋桨的振动噪声、尤其是涡激共振引起的异常噪声一唱音,是船舶三大噪声源之一；噪声不但会影响影响船员的工作和休息,对于以隐蔽性为主要特征的舰艇、潜艇、声自导鱼雷等武器设备,船舶噪声会大大降低船舶的隐蔽性,暴露目标,招致敌方攻击。因此螺旋桨的涡激共振问题研究具有重要的意义。到目前为止已经发展出多种研究方法用于螺旋桨涡激振动流固耦合分析,包括离散涡方法、尾流振子法、实验方法和有限元仿真法等。其中,非线性的有限元数值模拟仿真方法是目前最为有效的方法之一,也是最符合实际的一种方法。螺旋桨旋涡发放现象是研究螺旋桨唱音问题的基础,本论文基于LS-DYNA软件和任意拉格朗日—欧拉方法（ALE）对螺旋桨漩涡发放的有限元模型进行了研究：为了验证数值模拟方法的合理性,本论文对均匀流场中圆柱体的涡激共振问题进行数值模拟计算,数值模拟计算结果和相关公式的计算结果一致。本论文通过建立MAU4-55螺旋桨单叶有限元模型和四叶有限元模型,研究了处于均匀来流中的两种螺旋桨在不同旋转速度条件下的漩涡发放问题；在建立有限元模型时,螺旋桨单叶模型中桨毂设为刚体材料,桨叶为弹性材料,螺旋桨四叶模型中桨毂和其中的两片桨叶设为刚体材料,另外两个桨叶设为弹性材料,取弹性桨叶上的测点作为研究对象。研究表明：螺旋桨桨叶的盘面应力和螺旋桨的旋转速度有直接关系关系,轴向应力很大程度上受螺旋桨的涡激力的影响；相同工况下螺旋桨单叶模型和螺旋桨四叶模型的数值模拟结果相近,在精度要求不高的情况下可以用螺旋桨单叶模型替代多叶模型进行漩涡发放问题数值模拟计算,从而大大降低工作量和数值模拟计算时间。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 立题背景和研究意义
• 1.2 涡激共振问题的研究方法
• 1.2.1 离散涡方法
• 1.2.2 求解Navier-stokes方程方法
• 1.2.3 尾流振子方法
• 1.2.4 实验法
• 1.2.5 有限元方法
• 1.3 主要的工作内容
• 2 基本理论
• 2.1 螺旋桨涡激振动产生的机理
• 2.2 有限元方法介绍
• 2.2.1 有限元方法的应用
• 2.2.2 有限元的发展状况
• 2.3 流固耦合算法
• 2.3.1 流固耦合问题的类型
• 2.3.2 流固耦合问题数值解法的介绍
• 2.3.3 相关接触类型的介绍
• 2.4 螺旋桨漩涡发放的基本理论和方程
• 2.4.1 流体运动方程
• 2.4.2 边值条件
• 2.4.3 ALE算法
• 3 分析方法的验证
• 4 螺旋桨流固耦合数值模拟算例
• 4.1 螺旋桨涡激共振数值模拟方法
• 4.1.1 涡激共振的材料模型以及单元类型
• 4.1.2 数值模拟的几何模型
• 4.1.3 数值分析的有限元模型
• 4.2 数值模拟结果及其分析
• 4.2.1 螺旋桨单叶模型的数值模拟的结果及分析
• 4.2.2 螺旋桨四叶模型的数值模拟计算的结果及分析
• 4.2.3 螺旋桨单叶模型和螺旋桨四叶模型漩涡发放问题的比较分析
• 5 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢