基于勢流理論和粘性流理論的螺旋槳水動力性能分析

1、基于勢流理論和粘性流理論的螺旋槳水動力性能分析螺旋槳水動力性能預(yù)報經(jīng)歷了升力線、升力面、面元法以及基于求解RANS方程的CFD方法幾個階段。升力線方法過于簡化導致求解精度不夠，升力面在升力線的基礎(chǔ)上有所進步但由于其是建立在薄翼理論基礎(chǔ)上的，不能精確地描述螺旋槳的幾何外形以至于不能正確的預(yù)報槳葉壓力分布和空泡性能，其計算精度也不能令人滿意。面元法能很好地處理槳轂、導邊及槳葉上的空泡影響，更精確地描述復(fù)雜的螺旋槳幾何外形，克服升力線和升力面的不足，對復(fù)雜的翼身結(jié)構(gòu)作了更為精確的離散化處理,同時消除升力面理論中薄翼假設(shè)帶來的導邊奇性，更精確地預(yù)估導邊附近和剖面較厚處的壓力分布并能計及槳轂的存在及槳轂

2、對螺旋槳性能和槳葉壓力分布的影響。升力面理論的應(yīng)用日趨完善，面元法和N-S方程的方法已逐漸成為螺旋槳設(shè)計與水動力預(yù)報的主流，特別是能提供槳葉表面流動精細描述的CFD方法。雖然升力面和面元法能成功的預(yù)報螺旋槳在穩(wěn)定流和非穩(wěn)定流中的水動力性能，但是這些理論方法都是建立在勢流的基礎(chǔ)上，計算過程中忽略了粘性影響，因此在工程應(yīng)用中需要對設(shè)計和計算結(jié)果進行粘性修正。由于勢流理論忽略粘性力導致我們在研究尺度效應(yīng)對實船的影響、空泡與黏性流的非線性相互作用、螺旋槳槳葉表面邊界層和尾流渦的結(jié)構(gòu)與力學機理等問題時都無法給出定量的計算結(jié)果，特別是勢流計算方法無法捕捉槳葉附近的細節(jié)流動如槳葉隨邊渦的結(jié)構(gòu)，嚴重影響了螺旋

3、槳性能的預(yù)報精度?；赗ANS方程的計算流體力學方法為上述問題的解決提供了有效地解決方案。求解RANS方程的商業(yè)軟件相繼出現(xiàn)并不斷完善，很明顯在螺旋槳水動力性能數(shù)值預(yù)報方面CFD方法已成為主流研究方向。對湍流模式、網(wǎng)格生成、近壁面模型等CFD關(guān)鍵問題不斷改進后，CFD代碼分析復(fù)雜流動的能力大幅提高。盡管如此，涉及物理模型的逼真度、數(shù)學理論以及如何選擇基準檢驗試驗驗證方案等復(fù)雜問題時，CFD方法還存在一定的不確定性，成為CFD研究領(lǐng)域中極具挑戰(zhàn)性的前沿課題oCFD發(fā)展至今，雖然RANS，LES和DES等粘流方法在流場預(yù)報方面開始起主導作用，但勢流理論的方法仍是螺旋槳設(shè)計和計算中最常用的工具。應(yīng)該

4、指出，緊急倒車工況下推進器的性能預(yù)報最具挑戰(zhàn)性，RANS方法不能模擬此時出現(xiàn)的強非定常瞬態(tài)分離流，新近發(fā)展的LES方法已能實現(xiàn)對緊急倒車敞水螺旋槳的模擬，目前正在向船后槳模擬發(fā)展。RANS粘流方法在螺旋槳水動力預(yù)報上有以下幾方面的應(yīng)用：1）尺度效應(yīng)螺旋槳敞水試驗必須滿足的相似準則是進速系數(shù)J、雷諾數(shù)Re、弗氏數(shù)Fr和相對潛深Hs都屬于限制參數(shù)，由于不能同時滿足全部相似準則只能根據(jù)試驗特點滿足主要的相似準則，造成模型試驗與實際流動情況的差異，這就產(chǎn)生了粘性尺度效應(yīng)，實踐中有很多根據(jù)經(jīng)驗得出的方法可用來修正實驗結(jié)果，但一般都不具有代表性。估計尺度效應(yīng)的大小，尋求減小或修正尺度效應(yīng)的方法成為螺旋槳水

5、動力研究的一個重要課題。2）空泡與誘導脈動壓力螺旋槳空泡特性與其激振力、輻射噪聲、槳葉剝蝕及誘導脈動壓力等有直接聯(lián)系，在螺旋槳性能預(yù)報中非定常螺旋槳的空泡特性顯得尤為重要。各類空泡現(xiàn)象，如局部片空泡、片狀超空泡、泡空泡、云空泡和梢渦空泡等，所采用的數(shù)值計算方法主要有經(jīng)驗方法、升力面方法面元法和歐拉方程組等勢流方法，以及帶單相和多相模型的RANS方程組和各種方法的耦合。此外，LES方法和DES方法對改善空泡起始和非定?？张菽M精度的作用開始凸顯。但總體上講，除片空泡圖形外，其他空泡類型和空泡性能的模擬，目前的計算方法都存在不足之處目前，螺旋槳空泡與脈動壓力試驗技術(shù)進展不大，空泡現(xiàn)象和效應(yīng)的量化測

6、試和結(jié)果仍然很不理想。CFD的應(yīng)用有望解決這個問題，在空泡計算方面，帶單相和多相模型的CFD方法以及氣泡動力學與粘流理論組合的空泡起始預(yù)報方法頗具發(fā)展?jié)摿Γ张菡T導脈動壓力的預(yù)報仍無合適的數(shù)值方法，一種基于無粘可壓縮波動方程的預(yù)報方法正處于發(fā)展起步階段，或許有助于問題的解決。空泡誘導脈動壓力也是一個重要的研究課題，空泡誘導脈動壓力強烈依賴于空泡的間斷性，以及梢渦空泡的動力特性和空泡統(tǒng)計特征，故船體表面脈動壓力測量除了正確模擬伴流場之外，還必須伴隨相應(yīng)的空泡觀測。盡管目前表面空泡區(qū)域的計算方法已較成熟，但其誘導脈動壓力仍不具備預(yù)報能力，而其他類型空泡誘導脈動壓力的數(shù)值預(yù)報則更成問題，故而現(xiàn)在的

7、預(yù)報幾乎均靠模型試驗加上經(jīng)驗方法來實現(xiàn)。3）非常規(guī)螺旋槳性能非常規(guī)螺旋槳主要指導管槳、部分導管槳、前或后定子槳、端板槳、割劃槳和Z形驅(qū)動槳等，特別是對半潛槳（SSP）與表面切入槳（SPP）以及吊倉式螺旋槳推進器（POD）的研究與應(yīng)用。由于螺旋槳及其部件與船體相互作用的物理機制不是很清楚，因而常規(guī)預(yù)報方法在預(yù)報精度上存在很大的誤差，所以必須研究新的預(yù)報方法。CFD技術(shù)有助于了解相互干擾的物理機制，這方面的研究已經(jīng)取得了很大突破。吊倉式螺旋槳推進器（POD）在近幾年發(fā)展迅速，與其相關(guān)的推進和空泡性能預(yù)報、非設(shè)計工況的水動力載荷及特殊應(yīng)用如冰區(qū)航行、混合推進方式中的水動力學問題逐漸成為熱點研究課題。

8、雖然CFD的方法在研究吊倉式螺旋槳推進器的空泡性能，包括吊艙姿態(tài)、伴流、大轉(zhuǎn)角和動態(tài)操作影響時表現(xiàn)出一定的優(yōu)越性，但在研究其非設(shè)計工況下的性能如螺旋槳力和其他動力效應(yīng)，包括槳葉水動力及其在吊艙室上誘發(fā)的大窄帶脈沖載荷和船的橫搖及航向穩(wěn)定性等時CFD預(yù)報效果也十分有限，這個問題還亟待解決。4）船/槳/舵及附體相互干擾流動的水動力研究某些特殊情況下，舵表面會產(chǎn)生一個“負拉力”，如果能充分利用這種現(xiàn)象就能大大降低整船的阻力。另外，除了從舵設(shè)計方面考慮推進效率外，空化也都是需要考慮的問題。高功率集中的龍葉螺旋槳需要在運行效率和船體表面輻射壓力二者之間維持1種平衡，這種類型的槳經(jīng)常產(chǎn)生強烈的、空化梢渦和尾渦現(xiàn)象，而這些渦的存在會破壞舵的表面，導致油漆脫落、表面腐蝕。除此之外，流動的切向分量從螺旋槳分離時對舵和螺旋槳葉片形成大攻角空化侵蝕。由于船體、螺旋槳、舵及其附體的共同存在，使得船體尾部流場變得異常復(fù)雜，已經(jīng)不能簡單的用螺旋槳的敞水性能來衡量槳的水動力性能，需要綜合考察尾部流場狀況，權(quán)衡影響。意大利學者RobertoMuscari,AndreaDiMascio采用運動重疊網(wǎng)格技術(shù)對INSEANE1607螺旋