本文關(guān)鍵詞：船用復(fù)合材料螺旋槳研究進(jìn)展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

第5期張帥等:船用復(fù)合材料螺旋槳研究進(jìn)展621

改進(jìn)螺旋槳的效率起到關(guān)鍵的作用.螺旋槳的水動(dòng)力計(jì)算,可以采用傳統(tǒng)的基于勢(shì)流理論的渦格法(vortex-latticemethod,VLMs)和面元法(bound-aryelementmethod,BEMs)或基于黏性流理論的(Reynolds-averagednavierstokes,RANS)方程以商業(yè)的(computational uiddynamics,CFD)軟件求解確定.升力面方法是基于薄物體的假定簡(jiǎn)化,求解的邊界條件不是在真實(shí)的物理表面上而是在槳葉中和面上,因此不能計(jì)算導(dǎo)邊和葉梢附近的壓力分布.與VLMs相比,BEMs是直接在考慮真實(shí)物理表面上分布源匯等奇點(diǎn),故不會(huì)產(chǎn)生導(dǎo)邊奇性,壓力分布更接近實(shí)際.面元法對(duì)于復(fù)雜幾何形狀能更精確地描述,對(duì)于槳轂、導(dǎo)管和槳葉空泡上的影響更容易處理,且計(jì)算時(shí)間合理[2].面元法和渦格法均是基于勢(shì)流理論的方法,與Viscoussolver相比,求解時(shí)間合理[1]仍是求解和預(yù)測(cè)螺旋槳水動(dòng)力性能的高效和可靠的方法[3].然而隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,基于RANS方程的黏性流場(chǎng)求解技術(shù)日趨完善,預(yù)報(bào)精度高,考慮了黏性的影響和旋度,可以很好地捕捉螺旋槳的尾流和梢渦,不失為一種可以采用的新方法.

Kerwin等[4]首先將VLMs法引入計(jì)算船用螺旋槳的水動(dòng)力性能.Kinnas等[5]將源匯和渦格置于槳葉的名義拱弧面,用一系列的奇點(diǎn)和控制點(diǎn)準(zhǔn)確計(jì)算了船用螺旋槳的水動(dòng)力分布.Hess等[6]首次將基于速度的面元法應(yīng)用于分析船用螺旋槳的特性,隨后Lee等[7]將基于速度勢(shì)的面元法應(yīng)用于求解螺旋槳的水動(dòng)力載荷.近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者相繼開(kāi)展了基于RANS方程的螺旋槳敞水性能數(shù)值求解研究[8 10].而高富東等[11]依據(jù)文獻(xiàn)[12]中的網(wǎng)格劃分思想,采用文獻(xiàn)[13]中的網(wǎng)格邊界層厚度控制原則,高精度地預(yù)測(cè)了螺旋槳的敞水性能.季斌等[14]采用基于編程技術(shù)將常用的兩種湍流模型結(jié)合起來(lái)準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了螺旋槳在均勻流場(chǎng)和船舶尾流場(chǎng)中大側(cè)斜螺旋槳空泡特性.而對(duì)于船--槳--舵互擾特性的研究、極端工況下的螺旋槳性能研究以及空泡尾渦的觀測(cè),基于黏性流理論的數(shù)值預(yù)報(bào),表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢(shì)和發(fā)展前景.

對(duì)于傳統(tǒng)船用金屬材料螺旋槳,過(guò)去的方法都是假設(shè)槳葉有足夠的剛度,所以槳葉的結(jié)構(gòu)響應(yīng)可以?xún)H通過(guò)施加由流場(chǎng)分析得出的流體壓力而單獨(dú)求解.但對(duì)于幾何形狀和構(gòu)造復(fù)雜(如大側(cè)斜螺旋槳、超空泡螺旋槳)的金屬材料螺旋槳,槳葉的彈性變形效應(yīng)被指出會(huì)影響螺旋槳工作性能[15].

介于新形式及新材料技術(shù)的發(fā)展,對(duì)于螺旋槳的流場(chǎng)特性的求解提出了更高的要求,需要考慮槳葉的振動(dòng)特性,以及變形引起的螺旋槳綜合性能的變化,因而螺旋槳的水彈性技術(shù)即流固耦合技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生.

為了解釋槳葉變形引起的流體壓力的變化,Atkinson等[16]將升力面和有限元結(jié)合起來(lái),開(kāi)發(fā)了一個(gè)求解螺旋槳水動(dòng)力性能的迭代程序,計(jì)算了定常空泡作用下螺旋槳的水動(dòng)力性能.為了求解槳葉的動(dòng)態(tài)應(yīng)力分布瞬時(shí)效應(yīng),Kuo等[17-18]采用編寫(xiě)的面元法和三維線性等參單元有限元耦合的方式計(jì)算、分析了螺旋槳的水動(dòng)力載荷性能,推導(dǎo)了附加質(zhì)量矩陣和附加阻尼矩陣,以頻域的求解方式,確定了非定常流場(chǎng)中槳葉的動(dòng)態(tài)壓力載荷和槳葉動(dòng)態(tài)應(yīng)力.Kuo指出線性分析時(shí),槳葉的節(jié)點(diǎn)位移| |可由模態(tài)疊加的方式表示為

| |=

∞∑m=0

| |m

∞∑ im t

¯ e =| |0+m

m=1

(1)

槳葉有限元離散方程為

¨ ˙ M +Bs +K| |=|H|+|F|C水動(dòng)力表示為

(2)

|H|=|F|+|f|=

∞∞ ∑∑ ¨ ˙ |F|m+( Am Bm )

m=0

m=1

m

m

(3)

K| |0=|F|0+|F|C ¨˙(M+Am)| |m+(Bs+Bm)| |m+ K| |m=|F|m

m=1,2,3,...

(4)

式(4)即為Kuo以頻域方式求解螺旋槳水彈性的耦合方程,Am和Bm分別為用振動(dòng)模態(tài)表示的附加質(zhì)量矩陣和附加阻尼矩陣,具體公式見(jiàn)文獻(xiàn)[18].

Jiang等[19]編寫(xiě)了一個(gè)計(jì)算螺旋槳反轉(zhuǎn)和突然倒退時(shí)分析螺旋槳定常性能的水彈性計(jì)算程序,以NASTRAN計(jì)算螺旋槳4383的結(jié)構(gòu)特性,采用升力面PFS3程序計(jì)算了螺旋槳水動(dòng)力性能.Lin等[20]采用九節(jié)點(diǎn)殼單元的結(jié)構(gòu)控制方程和升力面[4]方法求解水動(dòng)力壓力載荷方程相結(jié)合的方式,結(jié)合穩(wěn)態(tài)伯努利方程和平均黏阻力的方式推

  本文關(guān)鍵詞：船用復(fù)合材料螺旋槳研究進(jìn)展，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。