桨叶几何对梢涡空泡起始影响及其机理研究
The Investigation of the Effect of Blade Geometry on Tip Vortex Cavitation Inception and Its Mechanism
随着舰船航速的增加,螺旋桨将先后出现各种不同类型的空泡,舰船的临界航速是指空泡最先起始时的航速,而螺旋桨梢涡空泡由于其尺度效应非常显著,通常是最先起始的空泡.空泡一旦产生,螺旋桨的辐射噪声会显著增加,有时甚至会引起船尾的振动.水面舰船的临界航速是低噪声船舶的重要性能参数,因此,推迟梢涡空泡的起始对于提高舰船的安静性是非常有必要的.在螺旋桨设计中,采用梢部卸载是一种典型的抑制梢涡空泡的有效措施.然而,该措施是以牺牲推进效率为代价的,而且其主要改变的是随边梢涡的强度,对导边涡和局部梢涡的影响不明显.研究桨叶梢部的几何形状,比如侧斜形式、纵倾和厚度分布等参数对推迟梢涡空泡起始的影响也受到了螺旋桨设计者的关注,其工程应用性较强.因此,本文研究的目的是建立一种能够对梢涡空泡起始进行评估的方法,该方法可以对几何变化影响梢涡空泡的起始进行有效性分析,可适用于多方案的相对比较;然后,从梢涡结构和涡核压力等流动机理出发,分析梢部几何形状对梢涡和梢涡空泡起始的影响.目前的研究主要包含了以下几个方面:首先,为了便于分析梢涡的流动结构细节,设计了一只具有现代水面船螺旋桨叶片几何轮廓及负荷特征的三维扭曲水翼,为研究螺旋桨梢涡特征的流动结构提供了很好的对象.并且在中国船舶科学研究中心的空泡水筒利用LDV开展了梢涡区域的流场结构、梢涡轨迹测量和梢涡空泡观测试验,获得了丰富的梢涡速度场分布的数据,也为梢涡流动的数值模拟方法提供了丰富的试验验证数据.其次,采用数值RANS方法模拟了水翼和螺旋桨的梢涡流动,对比分析了不同计算模型对计算结果的影响,认为采用边界层网格和梢涡区域局部加密网格相结合的计算模型更有利于捕捉梢部区域的局部梢涡、导边分离涡等不同类型涡的流动细节.然后,利用这样的计算模型分析了梢部几何参数对梢涡形成和涡流场特征的影响.为了定量评估梢涡空泡的起始,基于CFD计算结果,应用了一个简化的涡模型来计算涡核内的压力分布.针对三维扭曲水翼,通过涡模型计算结果和空泡起始试验测量结果的相关分析,获得了修正系数'K'.这个修正系数也被应用在了螺旋桨的算例中,与试验结果的比较认为该评估方法可以用来分析评估梢涡空泡抑制效果的有效性,提供了一种可相对比较的方法.在本文的研究中,通过梢部几何的变化来实现抑制和推迟梢涡空泡的起始是最终的研究目标.为此,首先基于所设计的三维扭曲水翼,独立分析了梢部局部的厚度分布变化、侧斜和纵倾形式的变化对梢涡的影响.从流动变化上研究了推迟梢涡空泡起始的机理.梢部几何的变化能够延缓导边分离涡卷入局部梢涡,使得梢部的横向流动减弱.这些变化可以帮助减弱梢涡的强度,延迟梢涡空泡的起始.最后,以三维扭曲水翼的研究结果为基础,针对一个已有的参考螺旋桨,在保持原桨负荷分布不变的条件下,通过改变梢部的几何参数重新设计了一个螺旋桨方案,该梢部几何的变化包括了侧斜形式、纵倾分布和梢部的厚度分布变化.这样的改变目的是为了能够相比于参考桨方案推迟梢涡空泡的起始.在空泡水筒中完成了参考桨和新设计桨的模型试验,设计目的实现了试验结果的验证,新设计桨的梢涡空泡起始得到了有效的推迟.数值计算结果也反映出了与试验结果相同的趋势,但数值计算结果仍然采用了三维水翼数值分析中相同的经验修正系数,这个修正系数的实用性问题还需要在未来的研究中更进一步的验证.本文的研究指出了一种通过几何变化来推迟梢涡空泡起始的技术方向,根据数值分析结果,在螺旋桨设计阶段能够有效的评估梢涡空泡起始延迟效果的有效性,本文所提出的几何变化措施具有较好的工程应用前景.
- 作者：
- 辛公正
- 学位授予单位：
- 中国舰船研究院
- 专业名称：
- 流体力学
- 授予学位：
- 博士
- 学位年度：
- 2014年
- 导师姓名：
- 唐登海
- 中图分类号：
- U664.33；U661.1
- 关键词：
- 梢涡；梢涡空泡；空泡；空泡起始；螺旋桨；螺旋桨空泡
- Tip vortex；Tip vortex cavitation；Cavitation；Cavitation inception；Propeller；Cavitation of Propeller