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可调螺距螺旋桨水动力性能的数值分析

作　者: 宫健
导　师: 李铁骊
学　校: 大连理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 可调螺距螺旋桨水动力性能 CFD 三维建模
分类号: U664.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

螺旋桨作为船舶推进的主要形式,螺旋桨的高效、节能成为发展的主题。随着造船技术的发展,螺旋桨的种类与形式要求也在多样化。因此船用螺旋桨的水动力性能需要更为精确地去预报。信息时代的推近,计算机技术取代了以往的船池实验,造船技术逐步数字化。本文主要引入CFD技术,利用GAMBIT软件对螺旋桨进行建模,利用FLUENT软件对其水动力性能进行预报。本文着手研究可调螺距螺旋桨,通过改变螺距使螺旋桨适用于多种工况,同时具有发挥该桨出高效、节能等优势。首先,本文将三叶可调螺距桨0.5R剖面的原始数据,利用GAMBIT软件进行二维机翼建模,模拟真实流域,网格精确划分,设置合理边界条件,利用FLUENT软件执行CFD计算,计算出相关敞水参数,得出剖面上的受力情况。二维机翼的成功建模与性能预报,为3D模型的模拟提供了经验。之后,对三叶可调螺距桨采用图谱设计法,通过三叶可调螺距螺旋桨的二维原始数据,对该桨进行初始计算,得出最佳螺旋桨要素,利用Auto-CAD软件,对该调距桨进行二维平面图形绘制,校核桨叶形状,同时可利用该二维图形校核3D模型建立的准确性。其次,将三叶可调螺距桨的二维型值,通过公式转化,得出三叶调距桨的三维型值,利用GAMBIT软件进行三维建模。利用FLUENT软件,预报该桨在不同状态下的水动力性能,绘制成敞水性能曲线,与实验数据相校核,验证建模与性能预报方法的准确性。最终,通过三叶调距桨的成功建模与敞水性能的预报,用该方法自行设计五叶调距桨通过二维图形的前期处理,得出最佳螺旋桨要素,之后进行三维建模,执行CFD计算,计算出螺旋桨在单相流和两相流不同速度情况下的推力、转矩和敞水效率,并做图谱比较,验证五叶可调螺距桨的水动力性能的好坏。在桨叶与桨毂的配合方面主要利用布尔运算进行整合,模型与流域兼用结构网格和非结构网格,同时在interfaces处采用滑移网格。网格划分方面比较灵活,保证提高网格质量的同时缩短了计算时间,达到了快而精确的目的。五叶可调螺距桨的成功设计,在螺旋桨水动力性能方面给出了很好的诠释,为后续的螺旋桨设计提供了宝贵的经验。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
绪论  9-10
1 螺旋桨简介  10-13
  1.1 船用普通螺旋桨的发展历程  10
  1.2 特种螺旋桨的发展历程  10
  1.3 特种桨的简介  10-11
    1.3.1 导管螺旋桨  10
    1.3.2 可调螺距螺旋桨  10-11
    1.3.3 正反转螺旋桨  11
    1.3.4 Kappel桨  11
  1.4 螺旋桨理论  11-12
    1.4.1 机翼理论  11
    1.4.2 升力线理论  11-12
    1.4.3 升力面理论  12
  1.5 本章小结  12-13
2 CFD技术的理论与应用  13-17
  2.1 CFD简介  13
  2.2 CFD所涉及的流体方程  13-14
    2.2.1 质量守恒方程  13
    2.2.2 动量守恒方程  13
    2.2.3 能量守恒方程  13-14
  2.3 CFD的求解过程  14-15
  2.4 标准κ-ε模型及其在CFD中的应用  15
  2.5 边界条件  15
  2.6 网格  15-16
    2.6.1 网格简介  15
    2.6.2 GAMBIT简介  15
    2.6.3 三维问题的网格划分  15-16
  2.7 FLUENT软件的用法  16
  2.8 本章小结  16-17
3 调距桨二维机翼剖面的设计与性能分析  17-22
  3.1 二维机翼剖面建模过程  17-20
    3.1.1 机翼剖面型值  17
    3.1.2 机翼剖面的建模  17
    3.1.3 创建机翼剖面外流域  17-18
    3.1.4 网格划分  18-20
    3.1.5 边界条件的设置  20
  3.2 FLUENT的预报  20-21
  3.3 本章小结  21-22
4 JDC-三叶可调螺距螺旋桨的数值分析  22-40
  4.1 三叶调距桨桨叶图谱设计  22
  4.2 三叶调距桨桨叶平面图  22-23
  4.3 桨毂形状及尺度设计  23
  4.4 三叶调距桨的三维建模  23-30
    4.4.1 基于坐标变换法的型值转化  23-24
    4.4.2 三叶调距桨建模  24-26
    4.4.3 外流域设置  26
    4.4.4 网格划分  26-29
    4.4.5 边界条件的设置  29-30
  4.5 三叶调距桨的水动力性能数值分析  30-39
    4.5.1 利用FLUENT进行仿真计算  30-33
    4.5.2 数值结果分析  33-35
    4.5.3 分析计算法校核桨叶应力  35-39
  4.6 本章小结  39-40
5 五叶可调螺距桨的数值分析  40-68
  5.1 五叶可调螺距桨的初步计算  40-50
    5.1.1 五叶可调螺距桨的基本参数  40
    5.1.2 图谱设计  40-42
    5.1.3 空泡校核  42-44
    5.1.4 强度校核  44-45
    5.1.5 螺距修正  45-47
    5.1.6 重量及惯性矩计算  47-48
    5.1.7 敞水性征曲线的确定  48-49
    5.1.8 桨毂形状及尺度设计  49-50
  5.2 五叶可调螺距桨的二维平面图形  50-51
  5.3 五叶可调螺距桨3D建模  51-57
    5.3.1 五叶可调螺距桨的二维与三维型值的转化  51
    5.3.2 五叶可调螺距桨的3D建模  51-52
    5.3.3 五叶调距桨的计算流域设置  52-53
    5.3.4 螺旋桨及流域的网格划分  53-56
    5.3.5 边界条件的确定  56-57
  5.4 五叶可调螺距桨水动力性能数值分析  57-66
    5.4.1 FLUENT的仿真计算  57-63
    5.4.2 单相流和两相流情况下的数值分析  63-66
  5.5 本章小结  66-68
6 全文总结  68-70
结论  70-72
参考文献  72-75

可调螺距螺旋桨水动力性能的数值分析

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