文摘
本文的实验和数值分析非常规活体供体螺旋桨。两个不同的数值方法,潜在的面板方法和一个RANSE解算器,重新就业。空化隧道实验是为了进行衡量,像往常一样,推力、扭矩,和不同螺旋桨工作腔扩展点。此外,LDV测量执行一个复杂的,深层次的洞察之后后面的螺旋桨和分析动态生成漩涡。数值和实验分析和比较的结果突出这种螺旋桨的特性,提高效率和减少气蚀的可能性风险,为了利用传统的设计方法已经证明螺旋桨也在这些非传统的几何图形。
1。介绍
节能是一个主要目标,历史上第一次,现在可能仍然,最重要的一个,在船用螺旋桨的设计。石油价格的不断增加,空气污染方面的严格规定,并为没有限制X所以X排放需要更多和更有效的设计。现代设计方法,如完全数值升力线/升力面编码和优化应用于潜在面板方法满足这个目标,让设计传统螺旋桨最大效率对于一个给定的操作点。另一方面,非传统螺旋桨、简约和加载提示解释水平理论和卡柏如几何图形,代表了一个进一步的机会来提高效率和减少气蚀的风险,没有完全不同的工作推进方案,像魂斗罗,共转螺旋桨或采用导管、绕组匝或regularizers醒来。
方面的同时,也要求辐射噪声和振动的排放越来越严格,避免负面影响海洋生物的风险和减少水声签名是新的商业和海军建设的主要目标。解释水平理论螺旋桨这些要求可能代表一个有效的答案,即使一些奇特的现象的影响,空泡漩涡等技巧,需要进一步调查。
第一tip-loaded螺旋桨的概念可以追溯到年代:梢涡自由螺旋桨是第一个应用程序加载的提示概念,快速进化的解释水平理论解决方案时也收缩液静脉已经考虑了最优几何的定义(http://www.sistemar.com/)。
解释水平理论螺旋桨的特点是单调增加的叶片的根,一个有限的和弦在提示,适度倾斜的值,和一个终板在最外层的径向叶片的边缘向压力面。全面的设施和观察,结合模型规模措施和理论研究,据SISTEMAR (http://www.sistemar.com/)确定,此时螺旋桨的主要优势,更高的效率值(从而降低燃料消耗,降低空气污染排放),单位面积上的价值更高的推力(因此更高的船的速度和更低的最佳直径),低噪音和振动水平更好的利润率面临空化和空化初始速度。
效率的获得是通过对顶端位移的最大负载,这是可能的,没有高噪音和能量损失(提示加载的典型传统的螺旋桨)终板的存在。事实上,外层叶片的径向部分贡献更有效推力的产生:速度更高,几何,当地螺旋角较低,也就是说,当地的提升更“对齐”,螺旋桨轴向方向。实现效率高,因此,生产所需的大部分叶片螺旋桨推力在这个地区。额外的跨度(不是在径向方向上)提供的终板允许定位叶尖附近的最大负载逐步减少和光滑的加载曲线。通过这种方式,可以避免强梢涡的存在和诱导速度的高价值的螺旋桨飞机,对水动力的影响沥青基本实现高值的效率。
终板的存在本身,增加提示区域上的压差,并允许采用有限和弦在提示,产生更高价值的单位面积上的推力和当地卸载的部分。产生的较小的最佳直径允许螺旋桨运转更统一的船体后,与更广泛的螺旋桨部分通过地区当地的变化后可以强大,实现更稳定腔泡沫和少腔诱导振动(但更高的交付推力波动)。
然而,几个问题,与这种螺旋桨的特性,仍需调查。终板的形状和位置提出了一些问题关于当地的强度、整体影响螺旋桨机械特点和“双”梢涡空化的风险更高。提示漩涡,事实上,能量损失的主要来源,噪声传播,引起振动。最佳的非传统的螺旋桨,当然,像传统的处理来流和旋涡的生成结构之间的相互作用来实现效率高。如果水下噪声和船体上的脉动压力必须最小化(或者至少监控),今天更频繁地直接在初步螺旋桨设计要求,提示漩涡动力学的知识成为一个关键方面这种非传统的螺旋桨的噪声特性,对其中一些文献可供设计师。螺旋桨的几何形状的特点,此外,预计将产生非常复杂的后字段:叶片尾流是受到大变形之间的组合偏斜分布和终板之间的交互提示漩涡。涡核的强度和位置,一般来说是一种对传统的螺旋桨,在设计阶段,准确评估的一个关键方面载荷分布(见,例如,后对齐问题[1- - - - - -3),需要进一步分析,广泛的实验活动和准确的粘性计算预计将提供有价值的结果。规模效应,此外,代表另一个具有挑战性的任务对于这种非传统的螺旋桨,更深的调查是必要的(4]。
从数值计算的角度来看,很多感兴趣的一直致力于新的推进概念的分析与发展5包括活体供体螺旋桨。三脚架欧洲项目,例如,数字工具的应用程序的一个例子,基于位势流方法和RANSE代码,为了减少螺旋桨设计迭代的新推进解决方案,非传统的简约和加载提示螺旋桨采用反转和POD配置。最近,面板和RANSE解算器采用开放水性能的分析解释水平理论螺旋桨,满意的初步结果(6]。
在目前的工作中,数值方法,一个潜在的面板方法和RANSE代码,是申请开放水域活体供体螺旋桨性能的分析,包括稳定的空化程度和螺旋桨尾流的预测。前者的方法可以被认为是最好的精度和计算时间之间的妥协在最初的设计阶段(适合部队和空化程度)的初始估计,后者代表了一个可靠的工具来分析粘度的影响,特别是在非设计工况条件下,潜在的方法通常在哪里失败,最主要的方面。的可靠性方法是研究和应用限制非传统的几何图形强调通过一个专门的实验活动进行空化隧道热那亚大学的和比较与先前的结果在测试执行CEHIPAR船模试验池。特别是,经过初步测试,以评估机械特性与CEHIPAR结果相比,LDV测量在稳定的条件下进行。测量包括速度/涡量场特性在一系列横向飞机螺旋桨盘在不同的距离,对于一个给定的操作条件。结果与数值计算和比较尖的位置和演化漩涡突出显示。最后,腔扩展,研究了在不同负载和空化指数的条件。同时,在这种情况下,与计算提供了有用的信息采用的数值方法的可靠性。
节中描述的实验设施2;部分3总结了理论方面的数值方法用于计算在部分4收敛的数值代码检查。部分5介绍了结果(测量和计算),一个广泛的数值和实验结果之间的比较和评价的主要方面的现象进行调查。
2。实验装置
在空化实验进行了隧道设施部门的造船和热那亚大学的电气工程(DINAEL),其布局示意图如图1。水设施是Kempf和书店关闭电路隧道0.57平方测试的部分0.57米,2米的总长度。喷嘴收缩比是4.6:1,最大流动速度在测试部分是8.5 m / s。水平管道之间的垂直距离是4.54米,而垂直管道之间的水平距离是8.15米。流速度测试部分通过微分文丘里流量计测量融合的两个插头立即上游和下游压力的部分。减压系统允许获得一电路中大气压力接近真空,为了正确模拟螺旋桨空泡指数和概要文件(2 d和3 d)。隧道配备Kempf雷默斯H39测力计,衡量螺旋桨推力、扭矩和转速。像往常一样,一个移动频闪观测系统允许可视化空化现象在螺旋桨叶片上。此外,空化现象可视化测试部分也由一定数量(通常是两个/三个)的相机。光学访问测试部分通过大窗户是可能的:两个盟军视觉科技马林F145B2火线相机,与1392年的一项决议1040像素和帧率10 fps。
空化隧道不干扰也配备仪器的测量速度场,激光多普勒测速仪(图2)。
速度测量的三个组件流的上游和下游的螺旋桨已通过执行four-beam双色光纤LDV系统反散射光学(Dantec纤维流)集合。光源是一个5 W氩离子激光器的操作为514.5 nm(绿色),488海里(蓝色)。为了解决零速度模糊和减少角偏差,一个40 MHz布拉格细胞已经使用。探测器由一个光学传感器头60毫米直径的焦距为400 mm, 38毫米的光束分离,连接到发射光学和光电倍增管通过光学纤维。典型调查卷尺寸是190米直径4毫米的长度。光电倍增管的信号处理两Dantec破裂频谱分析器。探头是生硬地回转机构安装在三轴计算机控制的调查。步进电机的运动传递到车厢通过预紧滚珠螺杆装配最小的线性转换步骤8米(7]。
在目前的实验中,一个系综平均技术适合LDV数据处理应用。一个参考信号直接从螺旋桨轴编码器,因此可以被认为是在阶段相关的周期性现象。获得准确统计系综平均,每个速度分量100000验证数据采样在每个测量位置。瞬时速度分为360阶段垃圾箱,每个代表一个特定阶段的周期。考虑到直接关系的周期和螺旋桨转速,每个本代表一个特定的角位置在360。
激光多普勒测速技术测量的误差的综合评估和指导方针来评估他们在最小值(8],Lakshminarayana [9],Boutier [10],Strazisar [11)和Modarress et al。12]。统计的不确定性意味着和均方根速度取决于抽样数据的数量,湍流强度和置信水平。目前实验中,考虑到95%的置信水平,当地湍流强度的20%和150年的最小数量的样品本,不确定性的3和预计7%的均值和均方根速度,分别。
一个通用的瞬时量(即。,velocity component) is a function of time ()或转子圆周坐标,数据记录()。
方程定义总体均值过程如下:(我)瞬时数量: (2)系综平均数量: (3)均方根的随机波动不稳定:
为了调查的所有三个速度组件使用一个2 d LDV它是必要的来执行测量在两个不同的配置:通过上面的第一个窗口的空化隧道,通过横向第二个窗口。特别注意一直致力于的选择最合适的测量配置为了最大化空间测量分辨率和限制速度梯度的平滑。
测量进行了十轴向电台,在表中描述的细节1。有效测量的点(沿径向方向)突出显示在图3:第一四站和最后两个措施覆盖完整的径向扩展(从= 0.35螺旋桨尾流的= 1.1),而对于车站之间= 0.6,= 0.9,只有分地区进行了调查,因为测量的主要兴趣是分析提示漩涡的进化。站3/4和9/10一直在测量小的轴向距离,为了评估涡度的中间部分。
的参考坐标系统采用的结果和标志上的约定的轴向,径向和切向速度在图进行了总结4。
3所示。数值方法
简约而提示加载螺旋桨的数值模拟,从流体力学的观点等同于传统的螺旋桨。一旦几何定义,特别关注终板的建模,此时螺旋桨的水动力特征计算简单的应用潜力和RANSE解决者。
3.1。面板的方法
面板/边界元素方法模型形状的固体通过一个标量函数,扰动势的空间衍生品代表扰动速度矢量的分量。无旋性,不可压缩性,没有粘性假设需要为了写更一般的连续性和动量方程作为扰动势的拉普拉斯方程本身:
对空泡流的更一般的问题,绿色的第三身份允许解决三维微分问题作为一个简单的积分问题的表面写绑定域。解决方案是发现的一系列强度数学奇异点(源和偶极子)的叠加模型粘在身体周围空泡流:
忽视supercavitating案例(计算停止当腔泡沫到达叶片后缘)和假设腔泡沫厚度很小的和弦,(13奇点,模型腔泡沫可以放置在叶片表面除了真正的空腔表面,导致一个下标的积分方程对应的变量在集成点,是单位正常的边界表面,然后呢点之间的距离吗和,是完全浸湿表面,后表面,是预计空泡表面固体边界。这种方法可以被认为是一种局部非线性方法,考虑了弱非线性的边界条件(空泡上的动态边界条件的一部分叶片后缘和关闭状态)而不需要搭配上的奇异点有效腔表面。设置所需的边界条件的稳定问题是遵循。(我)在润湿固体边界运动边界条件: (2)库塔条件叶片后缘(迭代解决滞止压力条件): (3)空泡表面上的动态边界条件: (iv)运动单腔表面的边界条件,表面法向量和吗th局部空洞泡沫厚度评估吗当地的非正交参考系统: (v)在腔腔闭合条件泡沫后缘。
任意的超然,背面和/或表面上的叶片可以发现,迭代,应用标准等效,在两个维度,Villat-Brillouin腔分离线,穆勒和Kinnas [14]。从分离线从初始湿解获得(和区域之间的差别与蒸汽压力高于张力从区域受到压力等于或低压力)或一个强加一个(通常是前缘),分离线是根据以下迭代移动。(我)如果腔在那个位置有消极的厚度,超然的位置移向叶片的后缘。(2)如果压力在一个位置上游的实际分离线低于蒸汽压,然后分离位置移向叶片的前缘。
数值解由在迭代计划委托给解决非线性与库塔,动态和运动学边界条件未知的腔表面直到腔关闭条件已经满足。
粘性力,忽略了潜在的流方法,一般可以添加两种不同的方法。在第一种情况下,提出的高度(15]和Gaggero [2),薄边界层可以耦合解算器,通过蒸腾速率、非粘性的解决方案,以获得当地摩擦系数的估计计算根据斯柯尔的积分方法16)(层流边界层),纳什和希克斯(17(对于湍流边界层)。这种方法,尽管传统螺旋桨被成功应用的分析,提出了一些问题收敛的非设计工况条件和遭受的影响流线的边界层计算执行。因此在目前的工作,当地的摩擦系数的估计进行了应用标准的摩擦。特别配方,基于局部雷诺数和厚度/弦比,已经使用:
3.2。RANSE解算器
粘性分析开放的水和空泡螺旋桨特性进行了通过StarCCM +商业有限体积RANSE解算器(18]。不可压缩流体的假设,如果蒸汽由于空化也考虑在内,只有用一个近似方法。然而,如果声学问题不是在调查中,不可压缩流的假设让解决一个更高效的数值模型,计算的两个阶段,水和蒸汽,只有通过连续性方程是不可压缩和互动。只有一个“混合”流体需要解决,哪些礼仪之间的加权平均分数()的液体()和分数(蒸汽)()特点:
控制方程(连续性、动量和额外的分数输运方程)的混合物可以写成: 在这是平均速度矢量,平均压力场,和混合动态粘度和混合密度,是动量源向量,雷诺应力张量的计算根据湍流封闭方程,气蚀源项。
StarCCM +计算域,通过对称,由一个角振幅的部门围绕一个刀片,一个适当的非结构化网格的离散多面体细胞选择光的收敛性分析进行解决的问题(图5)。模拟的计算和螺旋桨敞水螺旋桨特征后进行了稳定,使用移动参考系方法,一点点简单的算法将压力和速度场。空化评估,相反,使用隐式不稳定方法,固定时间步的秒。
4所示。收敛的数值方法
在继续之前的分析计算结果通过与实验测量的比较,初步分析了数值解的收敛性选择的解决者进行了。开放水域表演、螺旋桨尾流和腔扩展,感兴趣的主要方面的数值和实验已进行调查,评估被认为是数值解的收敛行为。在开放水域和空泡状态,这两个方法进行了研究。相反,收敛的螺旋桨后验证只有RANSE解算器(面板的方法,事实上,并没有采用这种计算)。
图6显示打开水推力和转矩系数的函数面板在叶片表面的数量(面板方法)和细胞的数量的流体域(RANSE)。计算进行了在18岁提前系数等于0.8赫兹,推力系数的0.1839(船模试验池)和转矩系数(10预计)0.3659(船模试验池)。每个叶片加上其相对数量的板中心不同约900(15径向部分和30分)到2400(30和60点部分文件),落后于旋涡的唤醒,离散的等效角间距6度,延长了六完成革命船尾后缘。与固定后模型计算进行了沥青的平均几何螺旋桨螺距和水动力,因为这种方法已经被证明是可靠和健壮的、如Gaggero所示,(2]。细胞的最大数目(160万/叶)连续粘性计算已通过细化的初始网格(460元素/叶)靠近螺旋桨,如图5。在任何情况下,一个适当的棱柱层与日益增长的1.25倍(5层),安装在墙上的界限,实现了从经验边界层厚度计算公式。
(一)
(b)
整体良好的收敛性得到了解决,但相反的倾向。预测推力和扭矩通过面板的方法,事实上,与板的数量会增加(外推值0.1859和0.3768分别地。,for the thrust and the torque coefficient) while RANSE computations have a decreasing behavior, with extrapolated values of 0.1764, and 0.3551 respectively.
打开水的计算性能,在下一节中,与介质网格(最后执行面板的方法,100万年RANSE细胞)之间的妥协精度(细网格的差异是,在这两种情况下,低于1%)和可用的计算资源。一个类似的分析时需要螺旋桨尾流的评价是解决。在这种情况下细孔网是强制性的为了捕捉的叶尖涡结构的终板,避免产生的数值耗散,倾向于光滑流数量、速度、涡量分布首先。
数值解的收敛性,也为这种类型的计算,验证了在三种不同的网格,通过精炼的预计高梯度地区。图7网(图显示了基地7(一)),约1.5数百万细胞精制靠近叶片,和介质(图7 (b))和(图非常好7 (c))网格,分别约为3.5和8数百万细胞,细胞密度更高的地区。结果呈现在图的概述8,无量纲切向和径向速度分布,计算放置0.56节R尾部的螺旋桨飞机。更多的细节,图9比较切向和径向速度在同一平面,但部分恒定半径等于0.9R。
(一)
(b)
(c)
(一)
(b)
定性的融合解决方案是实现直接从速度场尾部的螺旋桨进行了比较。如果与粗网格,它几乎是不可能确定双梢涡结构实验观察到的细节(如在图21,例如,跟踪提示漩涡的空化现象)空化隧道,中,,当然,细网格授予足够的分辨率捕获速度峰值由于落后的交互尾部螺旋桨旋转的结构。
更好的注意到从图9,粗网格的结果在一个相当大的数字平滑的速度。考虑切向速度,它是可能的,也与粗网格,确定这两个速度峰值(如果高度也低估了对计算由中、高分辨率);关于径向速度分布,很明显,粗网格是不足以解决的地方流动行为,相反,介质和高分辨率捕获双峰值和转向低角度的径向速度的最小值。
解决方案的依赖在离散化层次,最后,在空泡状态验证。同时,在这种情况下,三种不同的网格,为潜在的解算器和粘性的解决方案,进行了研究。像往常一样的潜在解决方案,参数在调查中(从整个离散化所依赖)的径向部分(15 - 25),沿弦点的数量(30至50),正如在图10。RANSE计算,相反,网格实现了改变全球基地规模、棱柱层的数量,和局部最小值的大小对叶片表面离散化。生成的网格之间有一个细胞的数量500(粗)和150万(细)对于每一个叶片,用离散化参数总结在表2。
(一)
(b)
(c)
结果,计算了气蚀指数等于1.625,为提前系数对应的打开水推力系数等于0.213,相比,空腔的扩展,在图10(小组方法,nondimensionalized腔厚度对直径),在图11(RANSE等值面蒸汽的体积分数等于0.5)。数量的增加板消除潜在的解决方案,明显减少的径向延伸的腔在叶片前缘泡沫。更多的细胞,相反,会产生稍微扩展腔区域内粘性方法。特别是,离散化的影响水平较高的小费。小细胞减少数值耗散和磨解在终板提示与空泡梢涡的大纲,计算的合理高数量的细胞(比得上采用螺旋桨后评估)是必需的。细分辨率的解决者,尽管粘性计算所需的更高的计算工作,最后选择了所有的进一步计算作为一个可靠的离散化水平。
(一)
(b)
(c)
5。结果
已经讨论过的,此时螺旋桨自称是非常规的螺旋桨能够给予一些优势对传统解决方案。特别是,特别是在全面,主要优势是更高的效率,减少了空化,和翼尖涡流strengthand,一般来说,小螺旋桨最佳直径由于高推力。数值分析和实验措施,因此,进行了在记住这些主要方面:预测/测量螺旋桨表演在开阔水域,包括螺旋桨尾流的分析和预测/测量稳定腔扩展的设计和非设计工况条件。从实验的角度来看,注意力主要集中在特殊的螺旋桨后下游领域的特征和稳定腔的行为作为负载和空化的函数索引。目标分析的数值验证的代码在非空泡和空泡条件和面板的功能的评估方法在预测性能和空泡的主要特征也是非传统的螺旋桨。
5.1。开放的水域
开放水域计算模型规模,而措施进行CEHIPAR船模试验池(19隧道)和热那亚大学的空化图12。在所有情况下,测试已经进行了0°轴倾角和均匀流(没有后)在20赫兹以达到足够高雷诺数。解决方法和数值预测(面板RANSE)非常接近实验值范围广泛的推进系数。的意思是,计算和测量值之间的差别小于3%的设计点:面板方法倾向于高估推力和转矩,虽然RANSE结果略有低估了。数值结果比可用的实验提供了更广泛的措施。这些结果显示一个共同趋势,较高的值和较低的推进系数和较低的零推力板的方法。然而,一个专门的实验活动有必要分析可能的数值方法的限制在这个范围内。空化隧道结果显示,像往常一样,一个轻微的转变对开放在拖曳水池水测试(进步之间的比例系数相同大约是0.985)。这种差异被认为是可接受的考虑船模试验池之间的差异和空化隧道环境;参考曲线与数值结果在开放水域条件是获得在拖曳水池。LDV测量在空化和空化测试隧道进行了固定(推力身份)。
5.2。螺旋桨后
生成的复杂流动结构终板在此时此地螺旋桨的尖端研究了通过激光多普勒测速技术,和措施而RANSE计算与800万细胞/叶片进行网格(数值阻尼减到最小,如图7)。轴向、切向和径向速度分布在十架飞机(表1)测量,但只有四站(−0.25,0.4875,0.7,和0.9875无量纲位置对螺旋桨飞机)报告,连同相应的数值计算。涡度的数值计算结果与车站= 0.5。实验测量和数值计算之间的差异,突出打开水的图12与推力,最小化执行比较身份的方法,因此,假设螺旋桨尾流场(内空化隧道在实验或数值计算无限)的行为以同样的方式如果螺旋桨提供相同的推力。所有的措施和数值计算,因此,被称为推力系数为0.213。测试与螺旋桨运行进行了18赫兹,为了避免气蚀。所有值提出了采用无量纲对稳态流速度。
速度分布的所有使用表示将组织的方式展示实验结果在左列和计算的,为了让一个常数对比措施和CFD结果。传入的流部分= 0.25(上游的螺旋桨)是描绘在图13为了简洁起见,只有切向分量已被证明。流在这一节中加速,稍微把为了进入叶片通道。因为它可以观察到,计算值仍表现出一定的平滑作用,甚至采用最好的网格;尤其是当地的最大值和最小值的值略低。这方面,与一个更大的扰动区,导致速度梯度少CFD中定义的结果。然而,重要的是要指出,这些差异很小,而在情节,采用速度规模减少为了解决这些小差异。在图14,结果部分0.4875尾螺旋桨飞机报告,可以用来定义下游流的典型特征。在所有三个速度分量,叶片尾流和提示漩涡是清晰可见的,特别是,醒来可以确定在径向条轴向分量降低,如果相比通道区域,而切向一个增加。时下,醒来,径向分量显示大值是由于较强的离心力引起大的切向速度分量。有趣的是强调标志的变化存在的径向分量通过后的叶片。这种行为的原因可以发现沿叶片载荷变化和提示漩涡的存在清晰可见= 0.9。两个旋转的结构的存在,引起最大的速度波动流场,可以从分析地识别的速度分量分布。特别是,一个在终板前缘涡生成,存在一个几何不连续(先后命名前缘涡)和传播在更高的半径,而第二个(先后命名叶尖涡)类似于通常的梢涡和传播半径较低。其他引人注目的流动特性的降低值轴向和切向分量在外部流动,也就是说,没有通过螺旋桨的流。这个地区的流动必须减缓由于质量流量保护和通常是受到轻微的负径向速度的影响。以不同的方式在本节中,径向分量分布主要是由强大的存在摄动旋转的结构克服流动收缩的影响。甚至内流区域(= 0.35)影响,由低价值相关的轴向速度边界的中心。更详细,三个速度分量,很明显,轴向速度呈现略高加速RANSE计算(约0.05 - -0.1 V),因为它也呈现在图15一系列的径向部分。这种差异可能部分由于不同操作条件(在隧道和在开放的水),即使没有具体分析/计算进行了证实了这一点。除此之外,它又明显,一定程度的平滑存在于RANSE计算,清晰可见的扩散加速和减速流地区在漩涡区域,在不太明显的叶片。
(一)
(b)
(一)
(b)
类似的问题时出现的切向和径向速度。然而,在这种情况下,速度都是正确地捕获的平均值,平均切向速度约等于0.2 V和消极的径向速度指示流萎缩。当地变化由于叶片通道和漩涡也被俘,即使由于数值差异平滑可见叶片后,出现更大的空间和更明显的绝对值(参见图15值为0.8R和0.85R)。关于漩涡,两种力量(在绝对速度方面)和相对角位置似乎正确捕获,就是明证,定性,在图14定量,在图16用计算值为0.9R。从这个图中,合理的计算结果连续峰值速度明显,即使轻微的角度变化和在某些情况下更低的绝对值。
(一)
(b)
从所有的数据,很明显,前缘涡强度更高,而叶尖涡是较弱的。也出现相同的考虑当螺旋桨空泡行为分析(图21)。
在图17、轴向、切向和周向涡度,在几乎相同的纵向位置(评估使用测量为0.4875R和0.5125R),报告。在这种情况下,很明显,考虑到最重要的切向涡度(切线方向是最类似于涡传播方向),计算值测量的非常相似,尤其是对前缘涡越强,叶尖涡略高值。其他涡度组件再次显示良好的协议,与略高于计算值。可以看到一个有趣的方面在叶片径向涡量分布区域,改变信号存在,由于后剪切层的存在。查看部分更下游螺旋桨(数字18和19),考虑类似于那些已经在0.4875节R可能是。特别是RANSE倾向于光滑的急剧变化流场计算是明确的,与大叶片尾流漩涡区,和更低的最大和最小值。然而,差异似乎仍可接受,和数值计算允许捕捉到一些有趣的现象这是典型的螺旋桨功能,如不同音高的两个漩涡,体现不同的涡核的相对角位置在不同纵向位置。特别是,前缘涡是一个低音,可见,如图20.在空化观察。这允许考虑采用计算设置一个可接受的妥协之间的计算精度和计算工作(当前计算花了20个小时12核CPU)。
在图20.,这显示了品质因数等值面、旋转的结构与RANSE捕获方法,再次清楚地证明。品质因数,定义为对称矩阵和反对称矩阵的和速度梯度张量的一部分,是一种常见的标量通常采用以可视化旋涡的结构。从图,不同的漩涡球和优势(直径的等值面图得到的q值值等于30000)是可见的。
5.3。空泡情况
预测腔扩展是此时此地非常规螺旋桨的另一个关键方面。附近的高负荷,如果无法避免,空化可以稳定空泡本身,尤其是当螺旋桨在空间非均匀后在船体的后面。相反,时间越长和弦在螺旋桨提示可以在本地减少单位面积上的负载,减少气蚀和泡沫扩展的风险。此外,终板的压力场的影响,对传统的几何形状,增加了超压在压力面,降低了压降在吸入端,有助于减少腔扩展。总之,终板的存在会增加腔《盗梦空间》的风险(在它的根和小费),这个潜在的问题应该考虑到一个更好的螺旋桨设计。
因此,预测腔扩展是一个必要的步骤理解此时螺旋桨周围的水流动力条件。小组的执行稳定分析方法,已经被证明是一个充分可靠和准确的方法来计算稳定和不稳定空泡流传统几何图形(2,13),可以提供一个初步的了解这些现象。此外,RANSE分析可以进一步深化知识,从计算的观点来看,的现象,给更多的细节在初步设计阶段的非传统的螺旋桨。
五个不同的操作点被认为是此时此地螺旋桨空泡性能的分析。至于螺旋桨尾流的评估,所有的计算进行了推力的身份。第一个分析点(图21)的设计点,对应于一个开放的水推力系数0.213的空化指数1.625。第二和第三点(图22)以相同的推力系数,但在较低(1.5)和(3.3)空化索引。最后两个点(图23),相反,具有设计空化指数(1.625)较低(0.173)和(0.253)推力系数高。所有测试在空化隧道进行了25 Hz。
(一)
(b)
(一)
(b)
从实验的角度可以识别,首先,终板产生的旋涡的结构的复杂性。两个漩涡形成空洞,让他们的可视化更直接的分析速度场下游的螺旋桨。两个漩涡,正如前面强调的,有不同的音调,在叶尖涡有更高,导致一个涡对的相对旋转。
从数值计算的角度来看,单腔的主要特性,确定了空化隧道,很好解决的两个捕获。除了单空泡在叶片吸力面,数值计算预测单腔泡沫的发展(从前缘)外部一侧的终板,其结果与实验值吻合良好的定性的证据。提示空泡漩涡超出预测的功能开发小组的方法,也就是说,限于supercavitating部分的分析。然而,叶片后缘的厚板腔泡沫可以被视为可能的梢涡空化的症状。特别是在推进系数低(高开放水等效推力)的预测表空化的后缘同意与观察到的空泡漩涡。原则上,RANSE计算可以考虑这些现象。然而,数值阻尼耗散,主要是因为不适当的网格计算的这种现象,大大减少决议在叶尖,只有厚板腔在终板根预计,一起在终板与板腔前沿,与实验观察一致。
数值预测,无论如何,可以被认为是令人满意的评估螺旋桨的空化特性。的方法预测的影响空化指数和提前/推力系数。几乎所有的考虑条件,面板的方法,似乎高估了吸力面腔泡沫扩展,对RANSE解算器,弦向的方向,特别是在顶端,而单腔长度预测RANSE更在径向方向扩展。在终板预测面板方法单腔泡沫较长,特别是在终板的根,和重叠的所有外终板表面高推力系数/低空化索引,而RANSE计算,一般来说,更为保守的(而且更类似于观察)。总之,面板方法和RANSE彼此很近。
对观察到的腔扩展,除了空泡漩涡,数值预测都有点高估了,主要是沿径向方向。这种差异可能是由于观察到连续空泡(20.]开始atleading边缘,不可能区分从表空化数值方法。在设计点(图21),例如,单腔泡沫从观察到等于0.8。数值计算,预测一个弦向的短板泡沫甚至周围等于0.67,实验观察强调只有条纹空化更加明显弦向的扩展。相同的考虑保持较低的空化(图索引(22日))和更高的负载(图23日(b)),预测单腔= 0.55和= 0.70实验观察。在单腔《盗梦空间》(空化指数3.3的推力系数0.213)和低推力系数(分别地。图22 (b),图23日(一))只稍微高估后板腔泡沫预计还有不同的厚度/扩展终板腔泡沫的根和技巧是那么强势的代表叶尖涡对前缘。
6。结论
一个广泛的活动在隧道空化进行测量等效开放水域的表演,螺旋桨尾流特性和空化的非传统型活体供体螺旋桨。与此同时,两种数值方法,方法和一个潜在的面板RANSE的能手,已经成功申请了相应数值分析。开放水域的数值计算模型规模特征在设计推进系数与实验结果有很好的一致性,微不足道的差异(推力低估了1.45%在面板的方法中,4.3%在RANSE而转矩系数被低估了1.4%,高估了1.5% RANSE解算器和面板方法resp。)。在非设计工况条件下,总体取得了良好的协议,与面板方法结果非常接近船模试验池测量推力的情况下(平均差−1%考虑范围)和呈现轻微高估意味着(大约1.3%)的扭矩。同样,RANSE计算是满意的,只有弱低估的系数(大约4%和1.6%的推力和转矩系数resp)。所有的系数进行调查。
LDV分析强调了特定的旋涡的后结构与终板。两个旋转的结构之间的相互作用一直强调:前缘涡和叶尖涡下游传播不同的音高。同时,在这种情况下,与措施的比较表明,数值计算是在良好的协议把位置,,,一般来说,螺旋桨的强度。捕获的大幅流动特性具有足够可靠性只有细网。额外的细化似乎是必要的在整个地区(不只是提示),进一步减少人工平滑(特别是远离螺旋桨)和更好地识别流特性。
最后,初步稳定,空泡流的计算表明,两种面板可以使用方法和RANSE解算器,在初步阶段,和足够的精度,分析这些非常规提示加载螺旋桨空泡的行为。单空泡的主要模式(表类型的终板前缘,空泡漩涡边缘)预计定性、定量很好。RANSE离散体积的高分辨率网格需要一个好的分辨率终板的顶端和根,为了避免平滑的解决方案也让空泡发展下游流体。这些结果可以得出结论,以任何方式,应用程序的潜在面板方法(所需计算时间的一小部分,由粘性RANSE解决同样的流动条件),结合参数化几何描述和优化算法可用于逆设计方法已经证明了传统的螺旋桨的成功案例(21,22]。作者进一步的研究计划在这个方向的。
确认
这项工作是在合作项目的框架开发SILENV-Ships面向创新的解决方案来减少噪声与振动,由欧盟资助的。在调用fp7 sst - 2008之下rtd - 1赠款协议scp8 - ga - 2009 - 234182。作者也要感谢SISTEMAR和SINM CEHIPAR恩里克Haimov博士的支持和建议在执行这些分析。