文摘
边界元方法(BEM)和涡流栅格法(VLM)扩展为了预测螺旋桨非定常性能的刚体运动。方法应用于规定的激增和升沉运动的情况下,和与其他方法的结果进行了对比。
1。介绍
由于船的非定常运动,操作螺旋桨通常受到时间刚体运动彻底改变了水动力推进系统的性能,降低船舶的机动性。入射波往往把船体在6自由度进而振荡的频率范围的螺旋桨所有可能的自由度。一般来说,螺旋桨运行在时变场,从而产生振动力量造成严重磨损的螺旋桨系统。所有这些情况下,它成为重要的考虑后不稳定的影响贡献领域由海浪和波浪诱导运动引起的。这两个的组合效应贡献被Sluijs[调查在过去1杰塞普和Boswell[]和2]。之后,努力是由帕森斯和Vorus3)来评估振动螺旋桨的附加质量和阻尼系数。Sasajima [4改编一个准稳定的方法来估计螺旋桨轴承力而布雷斯林和安徒生(5)青睐的完全非定常方法而拟定的方法计算时变部队螺旋桨。
在最近的过去,李和Kinnas [6)发展不稳定后对齐模型来模拟螺旋桨nonaxisymmetric流动。politi [7)建模的不稳定运动螺旋桨使用自由尾迹模型。最近,他(8)建立了一个完全不稳定后对齐模型对水翼和船用螺旋桨由Sharma合并et al。9,10在水翼的非定常运动进行建模和船用螺旋桨。
本文的计算方法分析船用螺旋桨的水动力性能发生不稳定运动。首先,一个不稳定的边界元法(BEM)模型提出了一个一般刚体运动问题。本模型的运动学和动力学边界条件也纳入涡格法(VLM)代码。本模型是第一个应用于俯仰水翼之后,验证当前模型的数值结果对那些从商业经营获得解决。船用螺旋桨执行绕流问题的激增和升沉运动无界流体然后使用VLM和本解决。完全不稳定后对齐算法实现到VLM代码为了满足螺旋桨后表面上的自由状态。最后,不稳定的比较研究螺旋桨部队获得本/ VLM跑和其他可用的数值结果和结果进行。目前的研究工作的最终目标是开发一个集成的6自由度船桨运动模型,包括及时完成船桨交互。这样的绕流的综合分析系统最严重的运动可以由该模型。
2。不稳定边界元模型和刚体运动的障碍
如图1下,一个障碍刚体运动惯性参照系。考虑流体粒子的位置当。小的时间间隔后,当粒子是搬到一个新的位置。与此同时,在的身体,当是搬到一个新的位置由于刚体运动。两个速度,和,相关的运动点的身体和流体粒子,在哪里速度是由于刚体运动,身体上翻译了一点来,是移动的总速度流体粒子的来。
速度流场可以分解为两部分:流入速度和扰动速度,写成 在哪里是总速度,是流入速度,扰动速度是由于存在障碍。
2.1。控制方程
本研究中应用的方法是基于非粘性的势流理论: 在哪里是微扰的潜力。因此,扰动速度场是由拉普拉斯方程: 如果流入也无旋,我们还可以定义总潜力作为 采用绿色的第二个身份,拉普拉斯方程(3)可以写成以下边界集成形式: 在哪里代表水翼或螺旋桨叶片的表面代表了表面的后缘。是格林函数,它的定义是在3 d在2 d。
2.2。边界条件
2.2.1。运动学边界条件
没有粘性,固体表面必须被视为滑动墙,这意味着流体粒子表面的身体只能表面上滑动。从图1的表达式,我们可以很容易地获得固体表面上的运动边界条件: 可以写成 它是方便的定义 因此,运动学边界条件可以写成
2.2.2。动态边界条件
潜在的流的动量方程可以集成到不稳定的伯努利方程的形式: 在哪里参考压力无限远上游,是压力。更方便的治疗不稳定项(10)物质导数通过使用以下标识: 方程(10)成为 后,定义在图1,因为,我们有 在哪里表示的变化率扰动势与固体颗粒表面的身体。
用(13)(12),我们获得固体表面上的动态边界条件: 添加对上述方程会导致 这是 方程(16)是一个不稳定的伯努利方程的一般表达式与任何刚体运动的障碍。二维水翼的运动,是,在那里投手的角速度,从投手的中心是向量点表面的水翼艇,如图2。
如图3螺旋桨在飙升的情况下和升沉运动,和被定义为 在哪里是螺旋桨的转动的角速度;轴的径向向量螺旋桨叶片表面上的点;和螺旋桨的激增和升沉速度,分别。螺旋桨的激增和升沉运动纳入本代码,PROPCAV。必须指出,以上提供的配方是基于假设的非粘性的和未分离的流。如果移动水翼的运动振幅或螺旋桨变得太大,边界层甚至可能单独在水翼的前缘或螺旋桨的叶片前缘涡形式,这是超出当前模型的适用范围。
3所示。不稳定VLM螺旋桨与刚体运动模型
本的运动学和动力学边界条件描述模型可以很容易地应用于涡格法(VLM)。在这项研究中,一个VLM代码、MPUF3A修改将正确的运动学和动力学边界条件的螺旋桨激增或升沉运动。他(8)开发了一个完全基于MPUF3A不稳定后对齐模型。不稳定的影响后模型螺旋桨进行升沉运动也调查了。VLM细节和不稳定后对齐可以在他(8]。
4所示。应用二维水翼投球
本模型提出了研究是首次应用于俯仰水翼,有一种NACA66厚度曲线在弦长度厚度为5%和0%。角频率,俯仰运动,旋转轴的起源是设置为水翼的前缘。水翼和流入之间的角度,或者,瞬时攻角,,定义如下: 在哪里表示角的振幅之间的水翼和流入。跑,也非粘性的有限体积方法(有限体积法)与商业软件FLUENT模拟执行相同的配置。粘有限体积法模拟是为了评估进行粘性的影响。标准的- - - - - -湍流模型与标准壁面函数是用来解决了方程。二维非结构化网格生成结构化棱镜边界层细胞附着在水翼。总共有407 k细胞的数量是分布在整个域的俯仰运动在390 k细胞提供升沉运动。取得了一系列的动作是40到120。动态网是用来模拟俯仰运动。计算(CPU)的17个小时被时间跑模拟4日英特尔至强2.54 GHz CPU而二维边界元模型只需要3分钟一个CPU上模拟完整的流。
数据4和5比较非定常升力和阻力系数从二维边界元模型和非粘性的有限体积法/跑。这两种方法的结果显示近水平的协议。然而,稍微转变之间的非粘性和粘性阻力系数可以被注意到。这种转变是由于粘滞效应中不包括非粘性的有限体积法模拟和二维边界元模型。阻力系数的变化似乎是一个恒定值,这表明它可以与一个长期有效的建模常数表面摩擦系数。在数据6和7铝箔表面的压力分布,比较在不同流时间。结果表明,除了在水翼的后缘,二维边界元模型和跑互相吻合较好。不稳定的边界元模型,迭代压力库塔(IPK)条件下,Kinnas和新提出的(11),已获得实现零加载在水翼的后缘。
图8显示了比较不稳定后配置文件获得二维边界元模型和跑。轨迹和汇总由二维边界元模型预测准确。如图9的范围是在40岁到100岁之间,接受标准壁面函数。
5。应用程序螺旋桨
船用螺旋桨受到空间非均匀流入不稳定,导致周期性负载的螺旋桨叶片和轴系统。流入的不稳定主要负责叶片压力波动和腔《盗梦空间》对推进系统的影响将是巨大的。此外,通过轴系不稳定力量的传输到车辆系统的可引起严重的磨损。因此,它成为重要的分析不稳定的影响,流入螺旋桨的推进性能的一种有效的设计船体螺旋桨系统。
5.1。螺旋桨进行纯粹的运动
一个模型螺旋桨DTNSRDC P4381经历分别飙升运动模拟。螺旋桨的几何可以博斯韦尔作者通过技术报告(12]。完全湿不稳定运行在设计执行推进系数()。
在这项研究中,增加运动定义为谐波振荡: 在哪里表示振幅的增长速度飙升的角频率运动。表1显示了在这种情况下的运动参数。
VLM,螺旋桨桨叶弦向的离散用20板,18板由方向在本,在弦向的离散化是通过使用60面板和20板顺翼展方向的方向。沿着顺翼展方向的网格分布均匀方向在弦向的方向余弦分布提供。实现厚度/加载耦合VLM将厚度。
运行模拟相同的螺旋桨进行相同的运动也在进行。建模增加运动执行了螺旋桨的解算器利用流利的移动网格的特点和使用UDF给完整的飙升运动领域。总数量175万结构化六面体的细胞提供了一个周期域。192小时是跑流量模拟9秒24日英特尔至强2.54 GHz CPU,另一方面,VLM只需要12分钟的CPU时间和本需要15分钟完成仿真。
详细的收敛性研究的本和VLM代码可以在Sharma et al。10]。
数据10和11显示时间变化之间的比较的推力和力矩系数在不同的数值方法。本和VLM比较彼此但是跑表现出一些差异。也注意到,飙升的时间平均KT除以一个周期振荡增长了,虽然它是恒定的BEM和VLM。同样,意味着KQ跑正在增长,但它仍然是常数边界元或VLM。
5.2。螺旋桨进行纯粹的升沉运动
一个模型螺旋桨DTMB P4718接受升沉运动模拟。螺旋桨的性能不尽全力做升沉运动被politi调查(7独立)。完全由VLM湿不稳定运行在设计执行推进系数()。在这项研究中,谐振荡的升沉运动的形式: 在哪里表示振幅起伏的速度,的角频率升沉运动。表2显示了升沉运动的参数。
在这种情况下,螺旋桨桨叶上的空间离散化是一样的在运动。结果从politi [VLM相比,那些获得7),如图12。从目前的不稳定单刀推力系数方法似乎相当接近彼此,也接近politi的结果。在VLM升沉运动的情况下,代码完全不稳定后对齐(澳洲公平工作委员会)也进行测试。尽管在很多情况下,例如斜井螺旋桨和螺旋桨推进率低,完全对齐后的模型可以显著改善的结果,在这种情况下,它不会产生很大的影响。原因可能是附近的螺旋桨仍在设计条件下,螺旋角的后相对较小。
6。结论和未来的工作
时间二维边界元模型已经开发并验证了解决分析不稳定的本质力量,压力分布和后振荡水翼的概要文件。垂荡和纵摇运动的模拟执行的一组参数来避免前缘涡的《盗梦空间》(LEV)可以大大改变水翼的表面压力分布。在未来,列弗模型由田和Kinnas [13)将被合并为更广泛的分析扑水翼参数。
下的螺旋桨非定常水动力分析激增和升沉运动进行采用涡格法(VLM)和边界元法(BEM)。一个完全不稳定VLM后对齐算法实现代码。从目前的方法比较结果来自politi [7),fair-to-moderate两者之间的协议被发现。增加运动的螺旋桨已经成功使用了模拟解算器;然而,在比较与时变KT和KQ获得本或VLM差异被发现在某些情况下。差异观察从VLM虽然比较结果,本代码需要进一步调查。
在这项研究中提出的数值方法并不打算作为一个替换运行模拟。湍流和旋涡的分离流动的影响难以由本文中提出的方法处理。在这些情况下,跑或莱斯能给结果与更多的物理表示的问题,与此同时,显著增加计算成本。数值解的不确定性得到解决。沙玛的研究(9)显示,当前的方法聚合到同一个结果精炼的空间和时间分辨率。直接相关的当前方法的结果与实验数据将大大有助于验证当前的方法。在最近的研究中,只有两个简谐运动。在未来,值得分析螺旋桨进行激增和升沉运动谐波组件和理解相应的螺旋桨性能在频域。目前的方法还将扩展到分析螺距,偏航,螺旋桨的摇摆运动。
拥有一个强大的模拟不稳定运动的背景水翼和船用螺旋桨,需要更全面的方法在处理细节的绕流振动船体螺旋桨系统。当前研究工作的长期目标是整合目前的模型与船体运动模型之后,耦合与雷诺平均纳维斯托克斯(RANSs)方法开发一个完整的6自由度hull-propeller系统运动模型。耦合与跑Kinnas et al。14)可以提高及时提供准确的船桨交互。在这种方法中,螺旋桨部队由空间分布和时间的身体力量跑代码占螺旋桨诱导流动的影响。后对齐的情况下是很重要的,不稳定后对齐可以实现用跑的速度场。处理不同的时间步大小的船体运动和螺旋桨子系统必须进一步调查。开发所需的模型将分析完整的hull-propeller绕流系统和预测力,时刻,压力分布和最大的准确性。
确认
支持这项研究的经费由美国海军研究办公室(合同。n00014 - 07 - 1 - 0616和n00014 - 10 - 1 - 0931)和V和VI的阶段财团对空化性能的高速推进器以下目前的成员:美国船级社,大宇造船和海洋工程有限公司、川崎重工业有限公司,劳斯莱斯海洋AB,劳斯莱斯海洋,三星重工业有限公司SSPA AB,瑞典,弗吉尼亚州理工大学埃舍尔Wyss GmbH,瓦锡兰推进荷兰帐面价值瓦锡兰推进挪威,瓦锡兰嘴唇S.A.S.辩护,瓦锡兰CME镇江螺旋桨有限公司