高速船螺旋桨设计及水动力性能计算研究

论文摘要

目前,船用螺旋桨是当今世界范围内广泛采用的一种有效的推进器形式,螺旋桨的种类与形式也随着时代与科技的发展逐步更新换代。随着电子科技技术的不断发展,对螺旋桨的性能研究也不再停滞在水池模型试验上,各种模拟软件相继的问世使得螺旋桨性能试验更加的简单、方便、高效。首先,本文是对螺旋桨进行图谱设计,采集原始数据,即以速度与功率对应关系式为基础,采用试验及理论计算高速双体船的船舶阻力以确定图谱所需要的参数,并插值得到螺旋桨初步设计的基本条件,并以此为第二手数据设计螺旋桨的几何形式与设计航速。然后,利用公式转换,把二维图形中的各点的坐标值转化为三维建模所要的各点的坐标值,利用GAMBIT进行建模；并根据二维图纸的桨毂与桨叶的距离关系,在三维模型中进行相应的整合。建好模型后,根据采用的计算模式对模型划分网格,并设定边界条件,导出MESH文件,为FLUENT的性能预报做好准备条件。最后,通过FLUENT软件来执行CFD计算,利用前期设计工作的数据,计算不考虑空泡的敞水性能曲线并与试验值作比较。但是实际情况中设计桨为高速桨且都要产生空泡,所以敞水性能曲线需要考虑空泡的影响,本文在最后计算出设计桨的带空泡时的敞水性能曲线。本文在建立螺旋桨的模型时,由于GAMBIT的一些自身限制,模型多处采用近似处理,所以计算出的不考虑空泡时的敞水性能曲线有一定误差。在计算考虑空泡的敞水性能曲线时,本文虽然对FLUENT考虑空泡时敞水性能的准确性进行了检验,但是由于数据源的局限性使检验有很大困难,还无法判断其准确程度,所以本文最后确定的考虑空泡的敞水性能曲线的准确性有待商榷。另外,本文只对船的其中一支桨设计分析,并没有整合两支桨的相互作用影响,所以还有更多的课题有待深入研究。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 螺旋桨发展简述
• 1.2 螺旋桨设计和性能预报发展概述
• 1.2.1 升力线理论发展
• 1.2.2 升力面理论发展
• 1.2.3 面元法理论发展
• 1.3 本章小结
• 2 螺旋桨设计方法
• 2.1 图谱设计法
• 2.2 环量理论设计法
• 2.2.1 环量理论处理的问题
• 2.2.2 升力线加升力面修正设计方法
• 2.2.3 升力面设计方法
• 2.3 面元法
• 2.4 空泡计算
• 2.5 本章小结
• 3 CFD数值模拟理论
• 3.1 CFD的特点
• 3.2 CFD的工作步骤及应用领域
• 3.3 CFD的分支
• 3.3.1 有限差分法
• 3.3.2 有限元法
• 3.3.3 有限体积法
• 3.4 有限体积法
• 3.4.1 有限体积法的基本思想
• 3.4.2 有限体积法使用的网格
• 3.4.3 有限体积法的离散格式
• 3.5 湍流模型
• 3.5.1 湍流流动的特征
• 3.5.2 湍流的基本方程
• 3.5.3 湍流模型分类
• 3.6 数值模拟软件简介
• 3.6.1 建模网格划分软件——GAMBIT
• 3.6.2 CFD计算软件——FLUENT
• 3.7 本章小结
• 4 螺旋桨的设计
• 4.1 初步计算
• 4.2 查阅图谱
• 4.3 空泡校核
• 4.4 强度校核
• 4.5 螺距修正
• 4.6 敞水性能曲线
• 4.7 航行特性计算
• 4.8 螺旋桨计算总结
• 4.9 螺旋桨图绘制
• 4.10 本章小结
• 5 螺旋桨三维建模与网格划分
• 5.1 螺旋桨型值转换
• 5.2 螺旋桨三维模型
• 5.3 建立流场域
• 5.4 生成计算对象
• 5.5 网格划分与边界条件设置
• 5.6 本章小结
• 6 螺旋桨的敞水性能预报
• 6.1 移动区域模拟方法
• 6.2 多参考系模型
• 6.3 计算结果
• 6.3.1 不计空泡影响
• 6.3.2 考虑空泡影响
• 6.3.3 螺旋桨上的分布云图
• 6.3.4 云图分析
• 6.4 本章小节
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢