螺旋桨性能预报的速度势面元法研究

论文摘要

船舶螺旋桨的设计和性能计算一直是流体力学领域中非常重要的课题之一。由于螺旋桨理论设计计算方法具有传统方法无可比拟的灵活性和适应性，同时，通过理论计算方法对螺旋桨的水动力性能进行准确的预报，对于避免不良设计所带来振动和噪声，进一步提高螺旋桨的效率、改善螺旋桨性能有着重要的意义。因此，本文从升力面理论入手，对应用理论方法的螺旋桨性能预报进行了较为深入的研究。文章的重点放在了应用低阶速度势面元法预报螺旋桨性能及压力分布上，并对现有的面元方法进行了改进，提出了考虑局部流场特性的B样条网格面元计算方法，同时改进了现有的尾涡模型。 尾涡模型一直是螺旋桨理论设计和计算方法中最为关键的问题之一，尾涡模型的好坏直接决定了螺旋桨性能预报结果的准确程度。但是由于尾涡问题的复杂性，很难获得精确的尾涡几何形状，基于这个原因，本文对升力面涡格法的传统经验尾涡模型进行了改进，在解析尾涡模式的基础上，提出了一种新的尾涡近似方法。在过渡区，尾涡在选定扇形截面上解析地求出，在其它处通过非线性插值求得，计算中利用了解析尾涡的特点同时减少了计算量。根据流体连续性方程确定尾涡的收缩半径，避免了梢涡半径的不收敛性，为螺旋桨设计和非设计工况下螺旋桨性能计算提供了一种有效的尾涡近似计算方法。 在应用低阶速度势面元法求解螺旋桨正问题的过程中，桨叶和桨毂表面离散为四边形双曲面元，在每个面元上布置强度相等的源汇和偶极子，螺旋桨尾涡面也离散为布置等强度偶极子的四边形双曲面元。在充分考虑了横向流动对三维升力体的影响作用的前提下，对随边压力相等的非线性库塔条件进行了研究，而面元影响系数通过Morino导出的解析公式计算得到。同时，应用新的方法获得尾涡模型，在采用经验尾涡模型的基础上，应用动量矩定理通过数值迭代并对个别尾涡参数进行确定，使其更适合重载螺旋桨的性能。通过大量的计算实例，验证了本文计算方法及程序的有效性和适用性。 传统的面元法均采用等半径的网格划分方式，但是这种处理方法并不能够反应螺旋桨表面的流场特性。因此，本文在考虑螺旋桨表面流场特性的前提下，采用B样条网格划分方法对桨叶表面单元进行剖分。弦向网格线在桨叶导边处与外轮廓线正交，在随边处与流体的速度方向相一致。同时，在考虑流场特性的基础上，对尾涡模型进行了改进，使得尾涡在离开桨叶随边处的方向与当地流动方向基本一致。计算表明，基于流场特性的B样条网格速度势面元法不仅可以减少迭代次数，改善了程序的收敛性，而且在很大程度上提高了螺旋桨导边附近的压力预报精度，具有较好的数值稳定性。

论文目录

• 独创性说明
• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 论文工作的背景和意义
• 1.2 螺旋桨理论方法的国外研究进展
• 1.2.1 升力线理论
• 1.2.2 升力面理论
• 1.2.3 面元法
• 1.3 螺旋桨理论方法的国内研究进展
• 1.3.1 升力线和升力面理论
• 1.3.2 面元法
• 1.3.3 其它理论方法
• 1.4 本文的主要工作
• 参考文献
• 2 螺旋桨性能计算的升力面涡格法
• 引言
• 2.1 螺旋桨的几何形状
• 2.2 螺旋桨边值问题
• 2.3 诱导速度的计算
• 2.3.1 源汇分布的诱导速度
• 2.3.2 附着涡系的诱导速度
• 2.3.3 自由涡系的诱导速度
• 2.4 桨叶上的涡系模型及离散化
• 2.5 尾涡模型
• 2.5.1 尾涡半径及轴向坐标
• 2.5.2 涡线角坐标的确定
• 2.6 库塔条件
• 2.7 基本解的诱导速度
• 2.7.1 直线涡段的诱导速度
• 2.7.2 源线段的诱导速度
• 2.8 环量的求解
• 2.9 水动力计算
• 2.10 桨叶压力的分布
• 2.11 数值算例
• 小结
• 参考文献
• 3 基于低阶速度势面元法的船舶螺旋桨性能预报
• 引言
• 3.1 螺旋桨面元法的基本理论及数学模型
• 3.1.1 基本理论
• 3.1.2 螺旋桨的几何表述
• 3.2 螺旋桨数值计算方法
• 3.2.1 螺旋桨表面离散化
• 3.2.2 库塔条件的处理
• 3.2.3 边界积分方程的离散
• 3.2.4 物面上速度和压力的确定
• 3.2.5 推力和扭矩的计算方法
• 3.3 三维机翼的数值计算
• 3.3.1 零攻角下的椭球体计算
• 3.3.2 有限攻角下的三维圆形翼计算
• 3.3.3 有限攻角下的矩形翼计算
• 3.3.4 机翼体的计算
• 3.4 螺旋桨的水动力性能计算
• 3.4.1 螺旋桨敞水性能计算
• 3.4.2 螺旋桨表面压力分布计算
• 3.4.3 螺旋桨表面速度分布
• 小结
• 参考文献
• 4 螺旋桨性能计算的B样条网格面元法
• 引言
• 4.1 面元法的基本公式
• 4.2 传统网格划分方式
• 4.3 传统网格的局限性
• 4.4 B样条网格面元法
• 4.4.1 B样条的曲线
• 4.4.2 B样条网格的构建方法
• 4.4.3 螺旋桨尾涡模型
• 4.5 数值算例
• 4.5.1 B样条网格三维水翼性能计算
• 4.5.2 B样条网格螺旋桨性能计算
• 小结
• 参考文献
• 5 吊舱推进器水动力性能预报
• 引言
• 5.1 吊舱式的电力推进器
• 5.1.1 吊舱推进器的发展
• 5.1.2 吊舱式推进器的结构及特点
• 5.1.3 吊舱式推进的理论研究
• 5.2 数值计算方法
• 5.2.1 吊舱推进器坐标系的建立
• 5.2.2 吊舱推进器表面的离散化
• 5.2.3 边界积分方程的离散
• 5.2.4 吊舱推进器尾涡模型
• 5.2.5 库塔条件
• 5.2.6 推式吊舱推进器性能计算
• 5.3 小结
• 参考文献
• 结论
• 附录 A 螺旋桨面元法影响系数的计算
• 附录 B 椭球体表面诱导速度的解析计算
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 参加的科研项目
• 创新点摘要
• 致谢
• 大连理工大学学位论文版权使用授权书