工艺流程图和CFD减速导管螺旋桨的设计和分析

文摘

导管螺旋桨,减速管道配置,设计师可能代表一种可能的解决方案,以减少空化及其副作用,即诱导压力和辐射噪声;然而,他们的设计仍然提出了挑战,由于复杂的评估减速导管效果和可用实验的有限信息。在本文中,混合设计方法,采用耦合的升力线/面板方法解算器和细化操作面板解决和优化技术,提出了。为了验证这个过程并对这些推进器提供信息,实验结果在拖曳水池和空化隧道与数值预测。此外,额外的结果通过商业运行的能手,不能直接采用在设计循环,也提出,允许压力的相对优缺点不同的数值方法。

1。介绍

螺旋桨设计要求是现在越来越严格,不仅要求提供效率高,避免空化,但也包括要求低的诱导振动和辐射噪声。导管螺旋桨为这个问题可能代表一种可能的解决方案;尽管他们的主要应用是致力于提高效率非常高的加载条件(或在附近的带缆桩拉扯),以加速导管、减速导管应用程序可能导致改善汽蚀行为。相关概念和设计方法这些推进器是众所周知的自70年代初以来[1),和许多不同的作品呈现在年。尽管,而长时间的应用程序(和研究)这些推进器,他们的设计还提出了许多挑战,需要分析,包括管道和螺旋桨之间的复杂的相互作用,评价管道的气蚀行为,和它的副作用,如辐射噪声和压力脉冲。

这些问题是放大时减速,而不是加速,管道设计被认为是;这些困难的原因之一是更高的复杂性的计算管道减速流,这使得传统的应用升力线/升力面设计方法不可行或者至少是不够准确的。此外,另一个问题是缺乏实验数据所代表的这种类型的喷嘴结构对传统和广泛研究了加速的。

为了缓解提到的问题,在目前的工作中,混合设计方法。作为第一步,执行的初始估计叶片几何,应用完全数值耦合的升力线/面板方法解算器(2]。传统的方法,基于Lerbs近似(3),事实上,无法处理复杂的几何图形,包括中心的影响,当然对于这些的螺旋桨,导管。因此需要一种更健壮的方法至少在他们的初步设计,以及改进的分析工具,能够评估复杂的粘性相互作用发生在地区之间的差距螺旋桨尖端和管道内表面。第一步几何先后雅致的面板方法加上一个优化算法,采用一种方法已经证明成功的结果对于传统CP螺旋桨(4- - - - - -6与多个设计点)。在目前的情况下,使用面板的代码在第二个设计阶段(几何优化)允许更精确的评估腔扩展和对螺旋桨性能的影响,从而导致一个更好的设计。报告的设计方法的理论基础部分2,而在部分3应用程序一个实际案例。一旦取得最终的几何,深入分析对应的推进器运作范围广泛的操作条件,包括设计和非设计工况点(根据负载和空化指数),。这个分析是应用相同的面板方法设计采用循环和商业运行解算器7)为了欣赏能力的两种方法来正确地捕获导管螺旋桨性能(力学特性和空腔初始/扩展)。如果一个精确的几何描述的管(内的潜在方法可能只与面板的就业方法)是捕获的基础的加速/减速特性喷嘴,粘性影响管道后缘和叶尖可以,关于自由奔跑螺旋桨,螺旋桨更高影响特征。生成的负载管和叶片之间的荷载分配管本身,事实上,流态的强烈依赖地区的差距。Sanchez-Caja et al。8[]和Abdel-Maksoud Heinke9)成功地预测加速导管螺旋桨的开放水域特点与解决跑,提供有价值的信息(超出潜在的编码能力)的特性流入地区的差距;潜在的面板的方法,为了模拟这些复杂的现象,需要采用经验修正(如孔方程,如10),其中也包括边界层的影响后球场上(11]或简化方法,如叶尖泄漏涡(12]。准确的描述这些现象,也通过可靠的粘性计算,可以为设计过程提供实用的想法为了提高鲁棒性的方法和势流计算的修正。

为了验证数值计算结果,实验活动在拖曳水池和空化进行了隧道,如部分所示4。对应的数值和实验结果的比较各种操作条件考虑允许压力的各种方法的优点和缺点,部分中讨论5。

2。理论背景

2.1。耦合的升力线/面板方法设计方法

轻和适度的自由奔跑螺旋桨,操作在一个非均匀流入,完全的数值设计方法是基于最初的想法科尼(2)的定义,通过一个最小化问题,最佳径向环流分布。传统的升力线方法,事实上,主要基于贝茨标准(3)的最小能量损失流下游的螺旋桨,实现和满足这个条件的最优循环分布通常被定义为一个窦系列刀片跨度。完全的数值设计方法(2),相反,这种不断的涡度的径向分布沿着每个升力线模型的每个螺旋桨叶片是离散涡晶格常数的元素力量。连续的尾涡表代表了叶片尾流因此取而代之的是一组马蹄形漩涡,每个强度和每个由两个螺旋漩涡之后,与水动力攻角和涡段,螺旋桨升力线,如图1。

与离散模型的影响包括中心可以简单地通过图像漩涡(13),基于众所周知的原则,把二维的漩涡的大小相等,方向相反的力量,位于同一直线,不会引起净径向速度半径的一个圆。相同的结果大约在三维螺旋漩涡的情况下,提供他们的音高是足够高的。因此,在螺旋桨的情况下,图像螺旋漩涡代表中心躺在圆柱体的半径可以计算的 在哪里是每个涡模型的半径,图像中心的半径,的平均半径圆柱中心。这个系统的离散涡段,绑定到升力线牵引后,引起轴向和切向速度分量在每个控制点的升力线定义为每个绑定的意思点涡段,在边界条件执行。这些自我应用毕奥萨伐尔定律计算速度的贡献,在每个控制点,所有的马蹄形漩涡每个叶片建模: 在哪里和像往常一样,一个单元的轴向和切向速度影响系数马蹄涡放在径向位置阀门点(升力线和径向位置)和的总数是马蹄形漩涡代表叶片及其中心图像。通过这种离散模型,水动力推进器的推力和扭矩特性可以通过添加计算每个离散涡的贡献。事实上,纯粹的假设下潜在的和非粘流: 在哪里只是总升力线切向速度的表演(相对流入加上自诱导的切向速度),是轴向速度(流入加上自诱导的轴向速度),是水动力螺旋角。在离散形式(3)导致 变分方法(2)提供了一组通用程序确定的离散流通价值(即。,the radial circulation distribution for each propeller blade described as the superposition of the strength of its马蹄形漩涡)螺旋桨转矩(计算(4)最小化,保持时下一个常数值(在一定公差)所需的螺旋桨推力,这是一个问题的约束。引入额外的拉格朗日乘子所代表的未知,这个问题可以解决的一个辅助函数,要求其偏导数零: 进行偏导数(5)会导致涡流的非线性方程组的优点和拉格朗日乘子,因为自诱导的速度靠,反过来,在自己未知的漩涡的力量。迭代得到解决非线性系统的线性化提出的科尼(2)为了实现最优循环分布与规定的最小转矩的推力。

这个公式可以进一步改进设计适度加载螺旋桨和包括粘性的影响。最初的马蹄形漩涡代表后,冷冻的解决方案(5),可以与速度引起的循环和解决方案的实际分布迭代直至收敛后的形状(或诱导速度本身)。

粘性减少推力,作用力的方向平行于总速度,因此作为自我速度的函数,可以另外添加辅助函数进一步的迭代过程,每一次的和弦分布螺旋桨已经确定,可以设置。总的来说,对于一个螺旋桨的设计,设计过程处理(我)一个内部迭代方法测定最优循环分配的线性化版本的解决方案(5),(2)一个二级迭代方法,包括最优循环上的粘性阻力分布,通过添加粘性对辅助函数的贡献,(3)第三级迭代方法包括适度后校准和加载情况。

这个设计过程概述了免费运行螺旋桨可以很容易地扩展到治疗导管螺旋桨的情况。至于中心,喷嘴的性能的影响螺旋桨可以包含在数值升力线模型仅仅添加一组适当的图像漩涡的管道本身,以包括其“墙”效应以及由此导致叶尖区域的加载。制定相当于(1),可以定义的径向位置管图片漩涡,取代中心圆柱体平均半径管缸平均半径。

管的存在,然而,螺旋桨性能不仅影响的附加载荷的小费。喷嘴的形状(加速或减速配置)诱发不同的流入分布在螺旋桨飞机,不能考虑通过图像的简单加法漩涡模型“墙”条件。主要负责修改流入的螺旋桨飞机,事实上,喷嘴的形状和有效厚度所忽视的旋转的方法。此外喷嘴有助于总推力,而且,因此,导管螺旋桨的设计必须包括这些额外的术语。克服原始方法的限制仅基于一个分布的漩涡,迭代方法设计,为了几个数值升力线设计方法(对于确定最优循环产生的螺旋桨的几何分布和)与一组方法,适合更准确计算流入速度分布的螺旋桨飞机和管道推力的评价。两个代码之间的耦合策略示意图如图2。对过程中自由奔跑的情况下螺旋桨,面板的耦合方法修改内部和外部迭代循环。螺旋桨升力线和管之间的相互作用,事实上,通过诱导速度。每次一个新的循环分布计算,面板方法提供了输入流入速度分布和必要的(4)和水动力螺旋角的定义确定所需的尾部螺旋桨尾流漩涡的形状。导管螺旋桨(没有),操作生成的意思是流入的升力线漩涡之前设计迭代计算,由专家组解决方法和平均轴向和切向速度引起螺旋桨飞机作为输入流入下一个设计步骤。此外,一旦一个螺旋桨的几何定义,不仅摩擦力计算和更新螺旋桨推力还管推力/阻力计算(面板的方法应用于整个螺旋桨/管问题)和所需的螺旋桨推力调整以达到总推力(螺旋桨+管)。

叶片后循环和水动力分布已定义,设计过程收益确定叶片几何弦长、厚度、音高,和弧形分布,确保截面升力系数满足要求,与此同时,空化和力量的约束。叶片应力的计算方法提出的康诺利(14)一直是首选,而空化问题是依法解决方法由Grossi [15),进而基于Castagneto的早期作品和Maioli [16]最小压力系数在一个给定的桨叶截面与标准项目形状是半经验的。更详细的描述设计过程可以发现在Gaggero et al。17,18]。

2.2。设计的优化

通过升力线导管螺旋桨的设计方法仍然是,然而,问题。尽管可以采用升力面修正叶片几何的定义(通过经验提出的修正VanOossanen [19)或通过一个专门的升力面代码),叶片和管厚度的影响,非线性与空化,和流动的影响之间的差距叶尖和内管表面强烈影响最优螺旋桨的几何。另一种提高螺旋桨的表现和成功的方法是由优化(4- - - - - -6]。导管螺旋桨的设计可以改善,事实上,采用一种优化策略,即测试成千上万不同的几何图形,自动生成的参数定义主螺旋桨的几何特征(最终也管),并选择那些能够提高初始配置的性能(例如,在效率方面和腔扩展)一起定义设计约束的满意度(推力的身份,首先)。

面板的方法,计算效率极高(达到足够的精度就解决了),是成千上万的几何图形的分析:自然选择对升力线/升力面模型、面板方法允许直接计算中心的影响,特别是管,无论是叶尖区域上的额外的负载和速度扰动在整个螺旋桨,避免了管道的简化表示只有涡环和来源。还空化(至少一张空化脸上和叶片背面双方)可以直接考虑在内,通过压力分布的计算而不是比半经验的派生的最小压力系数标准叶片部分。

对导管螺旋桨性能的改善面板的方法开发热那亚大学(20.,21)和专门定制的空泡导管螺旋桨的解决方案包含小费缺口流修正的10)已获得通过。解决潜在的解决方案是基于拉普拉斯方程的摄动的潜力(22),对应的连续性方程的假设无旋性,不可压缩性,假定和无粘性流:

绿色的第二个身份允许解决三维问题(6)作为简单的积分问题只涉及到表面,计算域。解决方案是发现一系列数学奇异点的强度(来源和偶极子)的叠加模型粘,和螺旋桨空泡流。边界条件(动态和运动都湿和空泡表面,库塔条件后缘,和空腔泡沫闭包在泡沫后缘)的解决方案获得的线性化方程组的离散化微分问题表示为(6)一组代表边界表面(图双曲面的面板3)的中心,叶片、管道,相对落后于醒来。内部迭代方案解决了非线性与库塔边界条件,而外部循环解决了非线性由于未知腔泡沫扩展。像往常一样部队被集成的压力场计算,评估由伯努利定理,在螺旋桨表面,而粘度的影响与一个标准的考虑摩擦线修正。关于自由奔跑螺旋桨情况下,解决潜在的问题,当导管螺旋桨解决,需要特殊待遇的差距上的流动区域,可以强烈影响螺旋桨提示加载和螺旋桨之间的负载分配和管道本身。在目前情况下差距模型与蒸腾速率(休斯提出的类似10])和孔方程采用。起初一个额外的面板在叶尖介绍关闭螺旋桨和导管之间的差距。此外,添加后的面板,偶极子强度决定再次从库塔条件。蒸腾速度通过差距的存在得到修改运动学边界条件(完全润湿电池板)应用于板带的差距: 在哪里是单位法向量均值曲率线的差距带在同一面板的弦向的位置,每个小组的单位法在空白地带,总,是当地的速度矢量,是一个经验性的流量系数(= 0.85)考虑损失地区的差距,然后呢是未知的脸和背面之间的压力差地区的差距。进一步的迭代方案,因此,需要力的边界条件(7)面板的差距:作为第一步,问题已经解决了,如果是完全封闭的差距(),初始压差计算;在以下步骤中,(7)与压差的当前值更新,和潜在的问题已经解决了,直到一定收敛的流动特性的差距。

为应用程序面板的方法(主要是分析,而不是直接设计代码)通过优化设计过程,一个健壮的参数表示的螺旋桨的几何4- - - - - -6,20.,21)是必要的。经典的设计表,本质上,几何图形的参数描述本身。所有的主要维度定义螺旋桨的几何图形,如音高,翘起,沿着半径和和弦分布,代表主要参数,可以很容易地安装了b样条参数曲线的控制点变成自由变量的优化过程,如图4。至于剖面形状,而不是采用标准项目实施或普尔酒馆类型,具有相同参数的方法可以描述只有几个控制点厚度和曲率分布沿弦为一定数量的径向部分(或者更一致,采用的级表面表示平均无量纲螺旋桨表面),包括还在优化程序配置文件。

采用优化算法的遗传类型:从一个初始种群(从原始几何随机创建的每个成员,改变参数值在规定范围内),一代又一代创建通过交叉和变异。新一代的成员来自最好的前一个满足所有成员施加约束(例如,推力身份)和格兰特更好的价值为目标。改善算法的收敛性和加速整个过程,一定公差(在一些点百分比)已经允许的限制,让更多的包容不同的几何图形优化循环。特别是,在特定的情况下提出了部分3,推力系数变化的±2%已经被接受。每个成员的初始种群进行了分析通过潜在的代码。结果,推力、扭矩,效率,和空腔区域,收集一起描述,鉴于几何参数的值。优化算法,通过这些数据,确定了“方向”是为了满足约束,提高目标直到达到收敛收敛(或帕累托如果不止一个目的是解决)。

2.3。分析工具

面板的方法可以准确地考虑厚度效应,非线性由于空化,,即使在一个近似方法,螺旋桨之间的交互和喷嘴,在增加加载的提示和流入速度分布。由于这些原因进行了优化执行所有面板的计算方法定制的导管螺旋桨的解决问题。另一方面解决了的准确性和效率显著增加在过去年(见,例如,(17,18),对导管螺旋桨(8,9]),使运行的解决方案,在许多工程情况下,一个可靠的替代实验测量和一个优秀的工具来理解和想象,例如,复杂的流动现象在地区的差距。除了面板的方法,因此,也是一个商业有限体积跑解算器,即StarCCM + (7]采用评估表现和描述流特性(提示漩涡和空化)的导管螺旋桨,从而有进一步的结果与实验的措施。noncavitating计算,像往常一样的连续性和动量方程表示为不可压缩流体 在这是平均速度矢量,平均压力场,动态粘滞度,是动量源向量,然后呢雷诺应力张量,计算与两层协议可实现的湍流模型。在空泡流的情况下额外的分数输运方程所需的液体:连续性和动量方程解出了混合流体的礼节是一个加权平均数之间的分数液体和分数蒸汽。反过来也修改连续性方程,为了考虑空化的影响通过源项,萨奥尔和Schnerr建模的23)的方法。

数值计算解决方案已经在适当的网格(例如,数据3和5),其可靠性验证类似Bertetta et al。4- - - - - -6]。

众所周知,网格的质量是一个决定性因素的整体可靠性计算的解决方案。从这个角度来看,自动非结构化网格,是采用在目前情况下,可能会带来一些额外的问题对更多的用户可调结构的。限制数值错误和格兰特平滑变化的几何特征的细胞,当地细化(采用提高精度的最奇特的现象预计这种螺旋桨)是被收养的,她特别关注一直致力于定义适当的增长因素驱动的过渡细胞尺寸和棱柱层的安排。例如,取决于开放的计算空泡的水或条件,采取了棱柱层的不同造型,根据当地的雷诺数(即。,湍流模型的层厚度)螺旋桨测试(直径230毫米)的空化隧道和估计(面板方法)单腔厚度。总结了主要参数的计算表1。采用网,像往常一样,是一种精度和计算时间之间的妥协。在任何情况下所有的参数定义网格的质量属于阈值(例如,体积变化大于1·10⁻⁵和最大歪斜角小于85°)在非结构化的多面网格提出了可靠的解决方案7]。无量纲墙距离,也呈现在图6noncavitating螺旋桨的设计点,总体适合所选的两层的应用可实现的湍流模型。

移动参考系(跑计算)和关键叶片方法(在框架的潜在方法中,如新(24])最后通过利用轴对称问题和减少计算域。

3所示。设计活动

耦合的升力线/面板方法设计方法和前面几节中概述的设计通过优化曾定义最优四刮刀减速导管螺旋桨在适度加载条件下操作。管道的形状作为项目实施概要,其几何,对初步设计通过升力线/面板方法过程中,一直保持着不变的优化。喷嘴几何形状的完整细节可能不是为工业提供理由。规定的总推力系数(螺旋桨+管),在提前满足系数接近于1,空化指数(基于革命的数量)约为1.5,已经假定了螺旋桨的设计。

结果初步几何(有一个球场在直径比0.7径向部分约1.33)从耦合的升力线/面板方法设计过程呈现在图7,在面板的方法和运行结果的预测腔扩展显示。之间的协议方法的计算结果是令人满意的,显示类似的空化程度。预测的推力,设计的有效性确认的数值计算。预测的值运行非常接近(约低2%)所需的总推力设计假定;这种差异被认为是可以接受的。数值预测的推力和扭矩用面板的方法获得的同样的初步几何图形显示,相反,一些不同的运行计算:面板方法结果往往更overpredicted,所需的总推力和,因此,对于运行计算。为优化认为这些差异,归因于数值方法,新设计的螺旋桨也保持不变,由面板和数值预测方法得到初步设计螺旋桨的升力线耦合方法已经作为参考点的优化过程。

从这个初步几何开始,螺旋桨的优化进行了为了获得一个新的几何能够最大限度地提高效率和减少气蚀在设计空化指数相同的数值传递推力(在±2%范围内加快收敛)初步设计计算。

也在腔扩展方面,一些限制可以突出显示面板的方法。以前的经验在空化隧道和类似的减速导管螺旋桨(也初步几何上的粘性计算呈现在图7)表明,叶尖泄漏涡的预测是,当然,除了空泡的功能面板的方法,是主导的空泡现象之一。如果跑空泡漩涡的预测可以被认为是可靠的,面板的方法很明显,只有一个人工单腔泡沫在最外层的条板计算小费。这片空化,在叶尖数字证明,然而,相关的(这个假设将部分证实了实验活动)的出现提示空泡漩涡,及其扩展(,因此,最小化)可以被视为衡量的风险(或强度)这种空化。技巧是midchord泡沫的风险,此外,证明两种方法:跑蒸汽等值面(一部分蒸汽等于0.5)涵盖了叶片的后缘下方提示时;面板的方法,又一张空腔附近midchord泡沫预计相同的位置。为了数值放大板腔泡在叶尖,包括气泡空化的发生一定的保证金,让优化工作更方便点(腔扩展不是受制于几个板的尺寸在叶片前缘);通过优化新螺旋桨的设计进行了以略低的空化指数对设计点(90%),也如前所述在图7。

优化活动新螺旋桨的设计进行了调查只有全局参数,即保持剖面形状采用初步设计。特别是和弦,最大弯度和螺距分布沿半径的优化考虑,以控制点的相关曲线为自由变量。最大厚度限制了弦分布以达到相同的初始螺旋桨叶片强度。

大约20成千上万不同的几何图形生成及面板的分析方法;优化的结果发表在帕累托图的图8。可行的几何图形是那些满足所有规定的约束(例如推力身份)而不可行点代表表演,在效率方面和腔扩展,不满足的几何约束。

最强大的一个方面优化的可用性,在设计过程中,整个组的几何图形,满足设计标准(采用流的范围内解决者)与不同的关于设计目标的妥协。在帕累托前沿,从而,可以选择一个新的几何,平衡增加的效率和减少腔扩展也根据设计者的经验。新最优几何(有一个音调在直径比0.7径向部分约1.32),突出显示在图8腔扩展的,授予一个数值减少约40%,效率略大于2%的增加在同一工作的初步几何,而且,正如所料,面板的总推力计算方法在规定数值的宽容±2%。也最优几何更准确跑进行了计算,其结果,报告预测腔扩展,在图9。希望,运行结果证实了优化方法的有效性:总螺旋桨优化螺旋桨的推力,以及总推力的初步设计,比要求设计推力低2%,效率大于1.8%计算的运行的情况下初步设计。预测了腔与面板分析方法扩展本身就是协议(限制已经突显出腔的分析预测的初步设计),而且,至少在定性方面可以减少不可忽视的证据对同样的数值分析呈现在图7初步几何。

4所示。实验活动

一旦选择,最终的几何一系列模型试验(打开水测试和空化隧道测试)已经完成为了验证数值结果。整个测试过程中需要使用模型(直径230毫米)报道,在图10。

特别是,打开水一直在上海广电拖曳水池进行了测试,使用Kempf &书店螺旋桨测力计H39和R35X平衡的测量管推力。一个常数螺旋桨转速(15赫兹)在测试过程中被采用。

空化隧道进行了测试,相反,热那亚大学的空化隧道。,在图表示11,再次Kempf &书店关闭水方测试部分的电路隧道总长度为2米,在常规螺旋桨空泡行为(25)和小型螺旋桨特性(26通常测试。

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。减压系统允许电路中获得一个大气压力接近真空,为了正确模拟螺旋桨空泡指数和概要文件。隧道配有Kempf &雷默斯H39测力计测量螺旋桨推力、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,空化现象的可视化测试部分也是由两个盟军视觉科技马林F145B2火线相机、解决像素和帧率10 fps。至于管部队,一个内部开发的测量装置已被采用。特别是,空蚀试验槽窗口修改举行铝合金板耦合通过焊接铝合金空心杆(27]。执行力测量的应变仪直接应用于空心杆。这个仪表是对船模试验池成功测试的结果,在报道Bertetta et al。4- - - - - -6),对其发展进一步的细节和校准可能也发现。

为了避免涡旋脱落的空心条隧道流,从而大大影响酒吧的完整性和降低其疲劳寿命,采用筛选箔。箔形状被选为了推迟空化,从而限制,尽可能,额外的噪音由于测量装置的存在。在图12最后测量设置在隧道空化。

所有的测试进行了没有轴纵向倾斜和制服后,一直与先前描述的设计设想。一个常数螺旋桨转速(25 Hz)。

5。数值和实验结果的比较

5.1。开放的水域

开放水域计算模型规模,与股东价值分析措施进行船模试验池相比,在图所示13。结果报道在无量纲形式,进行规范化的船模试验池值在设计点。

措施大幅确认设计过程。优化的螺旋桨,在设计点,有一个略低(大约3%)推力要求在设计。运行计算,假定作为初步的验证和优化设计(总推力的预测价值低于2%设计,与前面的部分),非常接近实验,有差异(高估)的总推力不足1%。

计算以来进行对应一个相当大的范围的推进系数值,不限制设计点,值得讨论,特别是检查现有的差异。

可以考虑考虑推力系数,进行计算,在非设计工况,充分可靠。尤其是在较低的值预先测量并计算总之间的协议(螺旋桨+喷嘴)推力是好的,即使是说螺旋桨推力略有高估,而喷嘴是有点低估了,它们的和非常接近实验的平衡两个不同的错误。只有更高价值的进步,推力预测显著不同的措施,确认里面的流动非常复杂的自然高度加载减速喷嘴。这种差异可能主要是由于逐步增加误差仅在螺旋桨推力的预测,可能由于noncompletely满意的造型管道和螺旋桨之间的相互交互。差异在转矩预测(效率),反过来,相反,更加明显。在设计点数值过高的估计约为10%,但扭矩曲线几乎是垂直不断转移的实验措施。不幸的是,面板方法预测放大的差异已经突出显示了。即使在较低推进总推力系数值(作为一个平衡螺旋桨和喷嘴推力预测)被认为是可以接受的,在设计点差异为7%;在更高的进步措施的差异增加,证实了采用面板方法的局限性当应用于解决复杂流动现象发生,例如,在地区的差距。差异的转矩系数与同跑在设计点,非设计工况条件的差异与推力系数的行为。

正如前面提到的,数值结果和测量之间的差异可能是由于noncorrect捕获流量的减速导管。先前跑和面板计算方法与加速导管螺旋桨,事实上,提供较低的差异(类似发现在9,11])的对应功能点较低的推进系数值,加速效应存在,而更高的差异被发现时导管功能正好相反,也就是说,当一个减速效果。不幸的是,减速导管配置几乎被认为是在文学,尤其是把数值计算,限制比较的可能性。

尽管这个问题,目前的结果的质量,尽管呈现相当大的差异,特别是在转矩系数方面,被认为是可接受的上下文中提出的设计过程中,因为它显示能够排名不同的螺旋桨。特别是,三个不同的几何图形与相同减速导管在并行数值和实验测试活动。相对的趋势,在效率方面,正确地捕捉到两个面板和经营方法,成功地正确排名三个螺旋桨,面板方法稍微放大实验和跑稍微的差异发现平滑。完整的结果可能不包括工业的原因。目前,在螺旋桨设计活动的背景下,提出了计算参数被认为是正确的所需的计算精度和计算时间之间的妥协。

为了有一个更好的洞察问题,首先分析与运行进行了考虑湍流模型的可能影响。特别是,RST湍流方程采用关闭,保持常啮合参数。结果没有出现重大修改,因此省略了。可能的进一步分析,这将在以后的活动中进行,将考虑采用更精确的影响网格和结构化网格,目的是更好的捕捉流特性的小缺口。

关于面板的方法,未来可能的改进可以用更好的尾流模型的引入,为提出的巴尔et al。11]。

5.2。空泡情况

腔扩展观察到空化隧道热那亚大学的比较与数值计算进行了小组解决方法和跑。四种不同的功能点,除了设计,被认为是。4分的两个有相同的设计推力系数和不同空化索引而其他两个有相同的空化指数但推力系数的增加和减少价值。所有的比较进行了在同一(实验和数值)推力系数,以最小化措施之间的差异和数值计算强调开放水域的情况。作为第一步,在设计点被认为是空化扩展。结果如图14:空泡叶尖泄漏涡是唯一明显的现象,管道上的延伸。

找到一个令人满意的协议实验观察到的现象和运行之间的数值计算,这表明,螺旋桨cavitation-free,除了叶尖泄漏涡的存在。此外,数值梢涡显示还观察到一个非常相似,这是远远低于预期的一个传统的螺旋桨。这个特性可能是由于局部作用的管道后,流入地区的差距。然而,腔的数值预测扩展区域看起来比实验,只有从midchord发展。重要的是要强调的漩涡出现在实验相当不稳定,一个变量扩展(照片可能被视为一种平均值)。这种不稳定性,这是强烈影响螺旋桨的地方特色(包括几何和技巧的差距),在通信设计尤为明显,同时降低螺旋桨的较低和较高的载荷。面板方法也令人满意,结果显示没有空泡螺旋桨叶片除了数量非常有限的面板顶端,这可能被视为一个迹象表明叶尖泄漏涡的存在,这可能由其自然不是被捕获的方法。作为一个整体,因此,结果证实采用了设计过程的可靠性,可以得到一个几乎完全cavitation-free螺旋桨,除了叶尖泄漏涡。必须指出,众所周知的,空泡翼尖涡流可能会有问题,尤其是当设计师的目的是减少噪声水平。未来将进行分析,以比较奇特的叶尖泄漏涡的影响与传统典型的螺旋桨噪声水平和分析因素(螺旋桨尖端几何,螺旋桨/管间隙,有效流)与这一现象的生成和行为有关。 Off-design comparisons are shown in Figures15和16,获得不同空化数在同一设计推力系数,和数字17和18,获得了不同载荷设计空化数。

再次,数值方法的内在局限性,与实验可以证明一个令人满意的协议。特别是,面板方法允许排列,通过空泡板顶端,叶尖泄漏涡的强度。之间存在很好的相关性,事实上,评估空化扩展和叶尖泄漏涡的维数;没有空泡的独特功能条件面板存在较低的加载,叶尖泄漏涡的位置实际上是很弱。这个考虑允许状态面板的方法,至少在某种程度上,可能会采用,除了其通常的应用程序,也作为一种工具来减少(加上优化技术)叶尖泄漏涡。然而,这种考虑必须进一步研究,因为它可能是,一旦差异提示减少小细节,面板方法会失败在等级不同的解决方案。计算与运行,这再次显示很好的通用协议与实验观察,可能是一个更可靠的选择如果兴趣是构成叶尖泄漏涡的发展,即使再普遍高估的现象是可见的。考虑其他现象,它可以观察到他们是非常有限的,即使分析了一个相当广泛的功能点,确认设计过程的满意的结果。空化气泡提示,观察设计荷载,降低空化数和更高的荷载条件,正确预测只有跑的方法,它允许捕捉也满意他们的扩展。面板的方法,midchord空化开始值略低的空化指数,从而突显出较低精度的方法从这个角度来看,它可以预期。 Sheet cavitation at tip (as an extension of the tip leakage vortex) is particularly evident at highest loading condition. In this case, both methods appear to correctly capture it. Finally, root back bubbles were observed in correspondence to the lowest cavitation number, while they are not present in both the numerical calculations. This phenomenon, however, may be at least partially ascribed to the local manufacturing of the propeller model, which presents a not completely satisfactory finishing at leading edge, which probably tends to anticipate cavitation. Moreover, the propeller geometry adopted in both calculations does not consider the effective hub/blade root fillet, resulting in a lower local profile thickness at root, which may tend to postpone this phenomenon.

6。结论

在本文中,对导管螺旋桨的设计提出了混合方法。应用程序的方法,在减速导管螺旋桨的设计报告,连同一个实验活动的结果在拖曳水池和空化隧道,为了进行验证的过程。的比较计算结果和测量结果证实了方法的有效性,它允许获得一个螺旋桨,除了满足所需的力学特性,几乎完全cavitation-free,除了叶尖泄漏涡的存在。考虑也非设计工况点,空泡现象及其扩展是满意地采用预测的方法在其局限性,与跑解算器能够正确地捕获也泡空化和叶尖泄漏涡,即使略有高估了后者:正确捕捉当地的现象在特别重要的技巧是在减速导管螺旋桨,其主要目的是减少气蚀现象,因为它可能代表一个无用的噪声来源。这一现象的本质必须进一步研究,数值和实验,评价局部几何特征的影响。从这个角度来看,联合应用解决了,与他们的能力来捕获复杂的流动特性还包括粘性效应,和小组方法,计算的低需求允许测试数量非常高的解决方案在合理的时间内,似乎代表了一个非常有前途的、方便的方法。

确认

作者想表达他们的感谢孔蒂先生和Grossi, Fincantieri海军舰艇动力部门的业务单元,对他们的支持和在这项工作非常愉快的讨论。

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