（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）电力推进导管桨水动力性能研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着半导体技术、交流调速理论和微机控制技术的迅速发展，交流电机的 变频调速技术日渐成熟，电力推进技术又开始被业内重视。各种形式的电力推 进系统也陆续被研发。 本文研究的电力推进导管桨的结构特点是螺旋桨叶梢套有一定宽度的外 环，并将带环桨嵌入导管内，桨环与导管内壁存在很小的间隙。电机定子与导 管一体化，转子与螺旋桨一体化。这种结构形式避免了普通电力推进系统的电 机过于笨重的缺点，且基本不存在轴系损耗。国外已经有将类似的结构用于鱼 雷的推进，在国内，此结构尚属首创，本文将以此种推进器的实际应用为目的， 进行前期的研究工作。 以计算流体动力学c f d 软件为平台，结合流体力学理论知识，用f l u e n t 软件来模拟计算电力推进导管桨的水动力性能。论文主要完成以下研究工作： 1 ) 电力推进导管桨的水动力计算的研究：以电力推进导管桨试验模型为 研究对象，计算其水动力性能，并与试验比较，分析物理建模和计算建模的可 靠性，进而论证计算结果的合理性； 2 ) 电力推进导管桨的导管几何参数设计的研究：环及螺旋桨参数不变， 衍生系列电力推进导管桨，进行数值模拟计算，获得水动力性能。分析此结构 的电力推进导管桨的导管设计是否能够直接采用无桨导管设计的结果； 3 ) 导管几何参数对电力推进导管桨水动力影响的研究：环及螺旋桨参数 不变，规律改变导管几何参数，进行数值模拟计算。分析导管几何参数对电力 推进导管桨水动力性能的影响规律，并选出使电力推进导管桨性能最优的导管 形状。 通过计算结果与试验结果，以及标准导管桨的对比，表明本文采用的数值 计算方法可用以电力推进导管桨水动力性能的模拟计算和预报；同时给出了电 力推进导管桨性能随着导管主要参数的变化而变化的规律，为今后的电力推进 导管桨的设计提供了理论和实用依据。 关键词：电力推进导管桨，数值模拟，水动力性能 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t l lr a p i dd e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o rt e c h n o l o g y , a cs p e e d - g o v e r n i n g t h e o r y a n d m i c r o c o m p u t e r c o n t r o l t e c h n o l o g y , t h e v a r i a b l e f r e q u e n c y s p e e d - g o v e r n i n gt e c h n o l o g yo fa cm o t o rh a v eb e e nd a i l ym a t u r e ，a n de l e c t r i c p r o p u l s i o nt e c h n o l o g y i ss t r o n g l yc o n c e m e da g a i n v a r i o u sf o r m so fe l e c t r i cp r o p u l s i o n s y s t e m sa r ed e v e l o p e dc o n s e q u e n t l y t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e ro ft h ee l e c t r i cd u c t e dp r o p e l l e rs t u d i e di nt h i st h e s i si s t h ep r o p e l l e rt i pi sc o v e r e db yar i n g 谢mac e r t a i nw i d t h ，t h er i n gi se m b e d d e di n d u c t ，a n dav e r ys m a l lc l e a r a n c ee x i s t sb e t w e e nt h er i n ga n dt h ei n t e r n a lw a l lo fd u c t m o t o rs t a t o ra n dd u c ta r ei n t e g r a t e d , w h i l er o t o ra n dp r o p e l l e ra r ei n t e g r a t e d 。t h i s k i n d o fs t r u c t u r ea v o i d st h ed i s a d v a n t a g ee x i s t si nc o m m o ne l e c t r i cp r o p u l s i o n s y s t e m ，w h i c hc o n t a i n sa ne x c e s s i v e l yh e a v ym o t o r , t h e r ei sb a s i c a l l y 1 1 0s h a f t w a s t i n ga sw e l l s i m i l a rs t r u c t u r e h a sb e e na p p l i e df o rt o r p e d op r o p u l s i o no na b r o a d ， b u ti nc h i n at h i si st h ef i r s tt i m e , f o rt h ep u r p o s eo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o no ft h i s p r o p u l s i o n ，p r e v i o u sp e r i o dr e s e a r c hi sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r b a s e d0 1 1c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c ss o f t w a r e ，c o m b i n e d 晰t ht h e o r e t i c a l k n o w l e d g eo ff l u i dd y n a m i c s ，t h es o f t w a r ef l u e n ti sa d o p t e dt o s i m u l a t ea n d c a l c u l a t eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fe l e c t r i cd u c t e dp r o p e l l e r t h et h e s i sm a i n l y d e a l sw i t ht h ef o l l o w i n gw o r k ： 1 ) r e s e a r c ho fh y d r o d y n a m i cc a l c u l a t i o nf o re l e c t r i cd u c t e dp r o p e l l e r ：s e l e c t t e s t i n gm o d e lo fe l e c t r i cd u c t e dp r o p e l l e ra sr e s e a r c h m o d e la n dc a l c u l a t ei t s h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e ，c o m p a r et h er e s u l t s 谢t l lt e s t s ，a n a l y z er e l i a b i l i t yo f t h e p h y s i c a lm o d e l i n ga n dc o m p u t a t i o n a lm o d e l i n g ，t h e n f u r t h e rd e m o n s t r a t et h e r a t i o n a l i t yo fc a l c u l a t e dr e s u l t s 2 ) r e s e a r c ho no p t i m i z a t i o no fd u c tg e o m e t r i cp a r a m e t e r sf o re l e c t r i cd u c t e d p r o p e l l e r ：b yt h ep r e m i s eo ff i x e d n e s so fp r o p e l l e rw i t hr i n g ，c r e a t eas e r i e so f e l e c t r i cd u c t e d p r o p e l l e r s ，b a s e o nn u m e r i c a ls i m u l a t i o nt o o b t a i nt h e i r h y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c e a n a l y z ew h e t h e r t h ed u c td e s i g no fe l e c t r i cd u c t p r o p e l l e rc a l ld i r e c t l ya d o p tt h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t so f d u c tw i t h o u tp r o p e l l e ro rn o t n 武汉理工大学硕士学位论文 3 ) r e s e a r c ht h ei n f l u e n c e so fd u c tg e o m e t r i cp a r a m e t e r so r lh y d r o d y n a m i co f e l e c t r i cd u c t e dp r o p e l l e r ：b yt h ep r e m i s eo ff i x e d n e s so fp r o p e l l e rw i t l lr i n g c h a n g e d u c tg e o m e t r i c a lp a r a m e t e r s ，a n a l y z et h er e s u l t so fn u m e r i c a lc a l c u l a t i o n ，a n a l y z e t h ei n f l u e n c er e g u l a ro fc h a n g i n gd u c tg e o m e t r i cp a r a m e t e r so nh y d r o d y n a m i co f e l e c t r i cd u c t e dp r o p e l l e r , a n dc h o o s et h ed u c ts h a p ew h i c hm a k e st h ep e r f o r m a n c eo f e l e c t r i cd u c tp r o p e l l e ro p t i m a l b yc o m p a r i n gc a l c u l a t i n gr e s u l t sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，a sw e l la st h e s t a n d a r dd u c t e dp r o p e l l e r , t h er e s u l t ss h o wt h a tt h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o nm e t h o d u s e di n t h i st h e s i sc a ns i m u l a t ea n dp r e d i c tt h eh y d r o d y n a m i cp e r f o r m a n c eo f e l e c t r i cd u e t e dp r o p e l l e r ；a n dg i v et h er e g u l a t i o nt h a th o wt h ep e r f o r m a n c eo f e l e c t r i cd u c t e dp r o p e l l e rw i l lc h a n g e 、砘t hv a r i o u sp a r a m e t e r so fd u c t t h e s er e s e a r c h r e s u l t sw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a le v i d e n c ef o r t h ed e s i g no fe l e c t r i c d u c t e dp r o p e l l e ri nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：e l e c t r i cd u c t e dp r o p e l l e r , n u m e r i c a ls i m u l a t i o n , h y d r o d y n a m i c p e r f o r m a n c e i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文 中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：上阻日期：上抖 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编 本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库 使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生( 签名) ：甲f 埘导师( 签名) ：、琴彩l 日期) 旧罗r 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 一个多世纪以来，内燃机推进装置，特别是柴油机推进装置在船舶推进选 择中占绝对主导优势，但由于纯内燃机技术已趋于成熟，换言之即无更大突破 性的发展潜力。在此背景下，电力推进技术开始崛起，并将逐步进入船舶推进 主流。随着半导体技术、交流调速理论和微机控制技术的迅速发展，交流电机 的变频调速技术日渐成熟。这也使得船舶电力推进系统在机动性、可靠性、运 行效率和推进功率等方面都有了突破性的进展，应用范围在不断扩大，显示出 广泛的应用前景。 环保问题一直是各国政府关注的问题。在造船业，“绿色船舶”的概念呼 之欲出：对船舶的噪音污染，空气污染，水污染等指标都提出了严格的要求。电 力推进在各项指标中都远远领先于传统柴油机推进系统，因此电力推进是符合 长期可持续发展的思路的盥3 。 电力推进应用于工程船、破冰船等，已经有很长的历史。随着永磁电机技 术日趋成熟，使得推进电动机安装在水下箱体内直接驱动螺旋桨成为可能，2 0 世纪八九十年代吊舱推进器的出现，给电力推进注入了新的活力。从而带动了 吊舱推进器的快速发展，它首先在民用船舶上得到应用，但其各方面的潜力已 受到发达国家海军的高度重视，成为国外螺旋桨推进技术的最新发展趋势。2 0 0 0 年1 月，美国时任海军部长r i c h a r dd a n z i g 宣布美国海军将开始一个新纪元， 即美国海军下一代水面战舰将采用电力推进系统。国内从事这方面的研究较晚， 尤其水动力研究基础更为薄弱。无论是对于强化民用船的贸易，还是提高军用 船的性能，吊舱式推进系统都有很大的用武之地，因此发展吊舱推进器对我国 船舶业发展有着积极的意义。本论文研究的是吊舱推进器的一种新形式，致力 于改善这种新形式的性能，特别是提高它的推进效率。 而导管螺旋桨是特种推进器的一种，早在3 0 年代就已经出现了，技术也比 较成熟，主要是为了提高功率系数b p 较高的高负荷螺旋桨的效率。它是在普通 螺旋桨的外围装上一个套筒，套筒的纵剖面为机翼型或折角线型。这个套筒就 武汉理工大学硕士学位论文 称为导管。它有许多种形式，从导管中流场来分有两种，一种是加速型导管，一 种是减速型导管。导管中的螺旋桨在工作时，与导管形成了个整体，这时的 流场与没有导管时的不同。对于加速型导管来说。首先，可以使螺旋桨盘面处 的水流加速，使螺旋桨工作在较大的速度场，从而可以提高螺旋桨的效率。其 次，由于导管出口处的面积逐渐扩大，尾流的收缩极小，使轴向诱导速度减小， 也有助于提高螺旋桨的效率。最后，由于叶梢和导管的间隙很小，由叶面和叶 背的压力差引起的绕流大大减小，其能量损失也就减小正是由于这些原因加速 导管螺旋桨具有效率高、推力大、在风浪中的性能较好等特点。对于功率系数 b p 较高的高负荷螺旋桨，采用它所能达到的效率，将远远超过常规螺旋桨。特 别是在系泊情况下，可将系泊推力提高3 0 以上。所以加速导管螺旋桨在推轮、 拖船、渔船上得到广泛应用。对于减速导管，与加速导管相反，它产生负推力， 增加了船舶阻力。但是导管中的流体流经盘面处时流线扩张，流速比普通螺旋 桨低，压力则较高，对推迟或避免螺旋桨的空泡有好处，所以减速导管螺旋桨 常用于易发生空泡的情况口3 。 1 2 国内外相关研究进展 1 2 1 船舶电力推进系统的发展 随着电力电子技术的日益成熟，船舶电力推进系统发展突飞猛进。上个世 纪9 0 年代国际上几个主要的设计公司如：a b b 、西门子、阿尔斯通、s t n - a t l a s 公司，在船舶电力推进的开发方面展开了激烈的竞争，9 0 年代中期相继在推进 机械装置上取得重大突破，各自推出了不同形式的吊舱结构。1 9 9 0 年由芬兰a b b 公司和k v a e r n e r m a s a 船厂联合研制的a z i p o d 系统开创了吊舱推进系统的先河。 进入2 1 世纪以来，a z i p o d 系统又有了新的发展。然而目前我国的电力推进技 术还处于起步阶段，电力推进技术的应用并不广泛，使用的新产品和船型不多， 推进系统的全套设备一般都要由国外引进组装，核心技术仍掌握在外国公司手 中钔。 2 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 2 国内吊舱式推进器研究现状 上海交通大学、哈尔滨工程大学、中船重工7 1 2 研究所、大连海事大学、 上海海事大学、武汉理工大学、武汉船舶电力推进研究所、海军工程技术大学 等国内研究机构及高校开展吊舱式推进器的研究和开发应用工作主要集中在吊 舱设计与性能分析方而，取得了阶段性研究成果，主要集中在以下方面：( 1 ) 、 适合电力推进船舶的“双二相交流异步电动机”研制；( 2 ) 、吊舱与螺旋桨水动 力性能研究。吊舱的阻塞作用使得螺旋桨载荷增加，吊舱支架在其正前方和正 后方均产生一个高伴流区；实验结果表明，串列式吊舱推进装置前后桨的负荷 与初始相位角有关。( 3 ) 、基于面元法分析吊舱体，采用简化的尾涡松弛算法瞄儿6 1 。 1 2 3 国外吊舱式推进器研究现状 欧洲国家开展吊舱式推进器的研究工作较早。早在1 9 9 9 年，欧盟就设立了 o p t i p o d ，f a s t p o d 和p o d si ns e r v i c e 三个研究项目，n e w c a s t l e 大学是欧盟 三个研究项目的合作伙伴，2 0 0 4 年4 月1 4 日一1 6 日，主持召开了第一届吊舱 推进技术进展的国际会议。其中，o p t i p o d 项目资助经费达5 0 0 万欧元，共有 来自7 个国家的1 4 家公司、高校和科研院所的研究人员参加，历时二年，主要 研究水动力学优化、给定条件下推进方式选择、螺旋桨设计、常规布置、操纵 性能和抗风浪能力，以及吊舱和船体的连接型式、噪声等；f a s t p o d 项目主要 研究吊舱的尺寸优化、增大功率和新的吊舱形式；p o d si ns e r v i c e 为o p t i p o d 研究工作的延伸，侧重于对现已使用的吊舱推进器的各项性能进行在线测量研 究。 已取得的研究成果主要包括【_ 7 】： ( 1 ) 、吊舱式推进器水动力性能研究。针对吊舱和螺旋桨按2 3 ：1 比例缩小 的实验模型，利用激光多普勒风力测定仪测量速度场，分析吊舱推进器对环境 的影响和吊舱、螺旋桨与船体之间的相互作用。其中，测量的速度场集中在螺 旋桨盘平面和螺旋桨尾流两个区域，分别用于分析吊舱对船体尾流的影响和螺 旋桨对周围环境的影响。 ( 2 ) 吊舱推进方式研究。各种新颖的推进理念不断应用到吊舱推进器。例如， 对转式吊舱推进c r p ( c o u n t e rr o t a t i n gp o d ) 在传统推进器的后方安装一个吊 武汉理工大学硕士学位论文 舱式推进器，以减少恶化气穴和日常维护费用，提高燃料的经济性。美国 g d e b ( g e n e r a ld y n a m i c se l e c t r i cb o a t ) 提出了r d p 吊舱，其电机定子放在推 进器导管内，转子位于螺旋桨旋转叶片顶端。由于定子和转子分别位于不同的 舱内，省去了旋转密封；螺旋桨的旋转轴和轴承安装在一个相对较小的毂内， 螺旋桨的固定叶片可以传递转子的推力并改善水动力性能。与常规吊舱相比， r d p 消除了吊舱和螺旋桨之间的相互影响、振动，减少气穴、舱体压力和噪声， 操纵性能得到改善，推进效率提高2 9 ，实际敝水效率n0 最大值为7 1 7 。 r d p 采用优化的水动力学设计及特殊的电机、轴承和密封技术，具有极大的实 用价值与发展前景，美国海军已计划开展对其进行全而研究和试验。 ( 3 ) 吊舱螺旋桨推进特性研究。加拿大m e m o r i a l 大学海洋工程研究中心、 海洋科技研究委员会等单位联合研究吊舱螺旋桨的推进特性，涉及吊舱锥度角、 吊舱和支架的相互影响、间隙压强、吊舱和支架的几何外形对螺旋桨推进性能 的影响等。 1 3 研究对象、目的及方法 1 3 1 研究对象 采用电力推进后，传统机械轴驱动的螺旋桨推进器很容易被电机驱动的推 进吊舱取代，传统上，这些电机是由交一交循环变频器控制的电励磁同步电机。 这种配置有个缺点，就是对于战舰所需的电机来说，当轴功率增大时，系统和 电机过于笨重以致于它的优点被掩盖了。本文研究的推进器在结构上就考虑到 这一点，采用永磁电机，电机转子上安装永磁体产生磁场，无须向转子供电， 且主机功率基本不存在轴系的损耗，大大提高推进器的效率。 本文研究的电力推进导管桨是吊舱推进器的一种新形式，外形与普通导管 螺旋桨一样，但其结构和驱动方式绝然不同。它是推进电机定子与导管集成的 一种导管桨( 见图1 1 ) 。系统由永磁电机、导管、螺旋桨和控制器等组成，其 结构特点是螺旋桨叶梢套有一定宽度的外环( 套环) ，并且此环嵌入导管内， 环与导管内壁存在很小的间隙，电机置于导管内腔。 4 武汉理工大学硕士学位论文 图1 1 电力推进导管桨剖面示意图 电机机座 导管 定子铁芯及绕纪 转子 螺旋棠 支撑筋 传统的螺旋桨是通过轴转动来驱动的，本推进器是通过电机转子绕固定轴 自由旋转，带动叶稍上的套环旋转，从而驱动螺旋桨，产生推力。其中轴是固 定的，作为定位装置。螺旋桨推力通过轴上的推力轴承传递到与导管前后端口 连接的支撑筋上，此推力与导管产生的推力合成，推船前进。推进器的定子在 结构上发挥纽带作用，将推进器转子、轴和导管联系在一起。 由上所述，由于该推进器的结构和驱动方式的特殊性，导管内腔放置电 机对导管外形设计有一定限制条件；在导管的前后两端安装有需要传递推力 的支撑筋以满足结构要求。 武汉理工大学硕士学位论文 1 3 2 研究目的 国外已经有将与本文研究的电力推进导管桨类似的推进器用于鱼雷的推 进。在国内，此结构尚属首创。本文研究这种电力推进导管桨的目的在于解 决这种结构的推进器在工程应用上的实际问题。作为一个新型推进器的设计， 需要研究和探索的方面很多，而可以借鉴的经验少之又少，比如如何确定导 管的几何形状；如何确定螺旋桨的几何要素和型值；带环导管螺旋桨和普通 导管螺旋桨水动力性能有何差异；如何设计合适的导管，环，螺旋桨，使在 设计状态满足船机桨的最佳匹配，等等。要将这样的推进器研究透彻需要一 个长期的过程。 本文侧重研究导管几何形状对电力推进导管桨的水动力影响。 1 3 3 研究方法 传统的船舶螺旋桨理论：是基于流体力学的势流理论而建立起来的，如定 常、非定常流动的升力面理论、面元法等等。 目前这类方法已经发展到相当的水平，并己广泛地运用到螺旋桨的设计与 预报当中，然而我们应当看到这些方法有着他们自身无法克服的缺点，不能够 正确预报螺旋桨流动因粘性存在而产生的一些重要流动特征：如螺旋桨桨叶边 界层及边界层的发展、流动的分离现象、螺旋桨尾流场的结构以及桨叶稍涡的 形成与结构等，也不能考虑由于雷诺数相差悬殊而造成模型桨与实桨之间的尺 度效应关系等峭1 1 9 1 。 为了克服势流方法的这些缺点，近年来国内外的不少科研工作者已经开始 尝试采用c f d 的方法来获得船舶螺旋桨周围的粘流场及其上述的一些重要流 动特征。 运用c f d 方法求解螺旋桨粘流场不但能提供普通势流方法所能提供的结 果，如水动力性能、桨叶表面的负荷分布等，还能提供螺旋桨粘性流动所特有 的一些重要现象与特征，如桨叶边界层流动、流动的分离现象、桨叶所受的粘 性力以及稍涡的形成与结构、螺旋桨尾流场等，不但能从定性上而且能从定量 上预报螺旋桨粘流场，为螺旋桨噪声、振动的分析研究提供基础依据。 本文用f l u e n t 软件对电力推进导管桨进行数值模拟计算。 6 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 本文所用软件简介 1 4 1f l u e n t 软件简介 f l u e n t 是一个用于模拟和分析在复杂几何区域内的流体流动与热交换问题 的专用c f d 软件。f l u e n t 提供了灵活的网格特性，用户可方便地使用结构网格 和非结构网格对各种复杂区域进行网格划分。对于二维问题，可生成三角形单 元网格和四边形单元网格；对于三维问题，提供的网格单元包括四面体、六面 体、棱锥、楔形体及杂交网格等。f l u e n t 还允许用户根据求解规模、精度及效 率等因素，对网格进行整体或局部的细化和粗化。对于具有较大梯度的流动区 域，f l u e n t 提供的网格自适应特性可让用户在很高的精度下得到流场的解。 f l u e n t 通过交互的菜单界面与用户进行交互，用户可通过多窗口方式随时观察 计算的进程和计算结果。计算结果可以用云图、等值线图、矢量图、x y 散点图 等多种方式显示、存储和打印，甚至传送给其他c f d 软件n 订n 2 儿1 3 1 。 f l u e n t 软件基于有限体积法，即对控制方程的离散方式为：将计算区域划 分为以系列控制体积，将待解微分方程对每一个控制体积积分得出离散方程。 用有限体积法导出的离散方程可以保证具有守恒特性，而且离散方程系数物理 意义明确，计算量相对较小。 f l u e n t 软件组成： ( 1 ) 前处理器：一般采用f l u e n t 公司自行研发的g a m b i t 前处理器软件来 建立几何形状及生产网格：另外t g r i d 和f i l t e r s ( t r a n s l a t o r s ) 是独立于f l u e n t 的前处理器，其中t g r i d 用于从现有的边界网格生成体网格，f i l t e r s 可以转换 由其他软件生产的网格从而用于f l u e n t 计算。 ( 2 ) 求解器：流体计算的核心，f l u e n t 本身就是一个求解器，它的主要功 能包括导入网格模型、提供计算的物理模型、施加边界条件和材料特性、求解 和后处理。 ( 3 ) 后处理器：f l u e n t 求解器本身就附带比较强大的后处理功能。另外 t e c p l o t 也是一款比较专业的后处理器，可以把一些数据可视化。 f l u e n t 适用对象： 用非结构自适应网格求解2 d 或3 d 区域内的流动 7 武汉理工大学硕士学位论文 不可压或可压流动 稳态分析或者瞬态分析 无粘，层流和湍流 牛顿流或者非牛顿流 热、质量、动量、湍流和化学组分的体积源项模型 各种形式的热交换和对流 惯性( 静止) 坐标系非惯性( 旋转) 坐标系模型 多重运动参考框架，包括滑动网格界面、转子与定子相互作用的动静结合模 型 化学组分混合和反应，包括燃烧子模型和表面沉积反应模型 粒子，液滴和气泡的离散相的拉格朗日轨迹的计算，与连续相的耦合计算 相变模型 多相流动 空化流 多孔介质中的流动 用于风扇、泵及热交换器的集总参数模型 复杂外形的自由表面流动 用f l u e n t 软件求解问题步骤： ( 1 ) 确定几何形状，生成计算网格 ( 2 ) 输入并检查网格 ( 3 ) 选择求解器( 2 d 、3 d 、2 d d p 或3 d d p ) ( 4 ) 选择求解的方程：层流或湍流( 或无粘流) 、化学组分或化学反应、热 传导模型等。确定其他需要的模型，如：风扇、热交换器、多孔介质等模型。 ( 5 ) 确定流体的材料物性 ( 6 ) 确定边界类型及其边界条件 ( 7 ) 条件计算控制参数 ( 8 ) 流场初始化 ( 9 ) 求解计算 ( 1 0 ) 保存结果，进行后处理等 ( 1 1 ) 如果必要，修改网格或计算模型，然后重复上述过程重新进行计算。 8 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 2p r o e n g i n e e r 软件简介 p r o e ( p r o e n g i n e e r 操作软件) 是美国参数技术公司的重要产品。在目前 的三维造型软件领域中占有着重要地位，并作为当今世界机械c a d c a e c 州 领域的新标准而得到业界的认可和推广，是现今最成功的c a d c a m 软件之一。 p r o e 采用了模块方式，可以分别进行草图绘制、零件制作、装配设计、钣 金设计、加工处理等，保证用户可以按照自己的需要进行选择使用，是现在广为 使用并且实用方便的建模软件【1 4 】【1 5 】。 参数化设计和特征功能 p r o e n g i n e e r 是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统，工程设计 人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、壳、倒角及圆角， 您可以随意勾画草图，轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设 计上从未有过的简易和灵活。 单一数据库 p r o e n g i n e e r 是建立在统一基层上的数据库上，不象一些传统的c a d c a m 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是在整个设计过程的任何一处 发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如，一旦工程详 图有改变，n c ( 数控) 工具路径也会自动更新：组装工程图如有任何变动，也 完全同样反应在整个三维模型上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结 合，使得一件产品的设计结合起来。 1 5 本文主要工作内容 1 5 1 其他文献已经完成的研究 目前在国内只有某文献对电力推进导管桨进行过初步研究，文献中主要完 成的工作如下： 1 ) 在满足导管内腔置放电机限制条件下改变导管几何参数，通过二维升阻 比和三维推力系数优化导管； 2 ) 将已设计的螺旋桨，环，和优化后的导管作为一个整体计算其敞水特性。 9 武汉理工大学硕士学位论文 1 5 2 本文的主要工作内容 本文以上述文献的研究为基础，对该电力推进导管桨进行更深一步的研究。 1 ) 电力推进导管桨的水动力计算的研究。以电力推进导管桨试验模型为 研究对象，计算其水动力性能，并与试验比较，分析物理建模和计算建模的可 靠性，进而论证计算结果的合理性； 2 ) 电力推进导管桨的导管几何参数设计的研究。以1 ) 中电力推进导管桨 为基础，在带环螺旋桨不变的前提下，将上述文献中的系列导管作为电力推进 导管桨的导管，衍生系列电力推进导管桨，进行水动力数值模拟计算，获得系 列电力推进导管桨的水动力性能。将其结果与无桨导管数值计算得出的水动力 性能进行比较，分析此结构的电力推进导管桨的导管设计是否能够直接采用导 管优化的结果。 3 ) 导管几何参数对电力推进导管桨水动力影响的研究。按一定规律变化 导管的几何参数( 收缩系数、扩张系数、长径比和平行中体长度) ，衍生系列电 力推进导管桨，进行水动力数值模拟计算，获得系列电力推进导管桨的水动力 性能。由此分析导管几何参数的变化对电力推进导管桨性能的影响规律。并选 出使电力推进导管桨性能最优的导管形状。 本文研究成果的意义在于： 在本论文研究过程中，部分成果应用于国内第一台样机，目前已经问世。 本论文的最终研究成果期待能给电力推进导管桨的应用提供设计依据。 本研究的特点在于： 电力推进导管桨结构的独特性。它具备其它形式吊舱推进器不可替代的优 点。 系统建模的复杂性。虽然国内外用软件模拟计算螺旋桨的方法已经比较成 熟，但是鲜少见用于导管桨的计算。本文采用f l u e n t 软件将导管和带环 螺旋桨一体作为水动力性能研究对象，比普通导管桨更为复杂。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章理论数值方法 2 1 流体控制方程 质量守恒方程：任何流动问题都必须满足，单位时间内流体微元体中质量 的增加，等于同一时间间隔内流入该微元体的净质量这一质量守恒定律。用方 程表示即为：8 ( - p u j ) ：0 麟： 对于不可压流体，p = c o n s t ，连续性方程为： a - - 材-j = 0 a x j ( 2 - 1 ) 动量守恒方程：这也是任何流动系统都必须满足的基本定律，即微元体中 流体的动量对事件的变化率等于外界作用在该微元体上的各种力之和。对于不 可压流体，该定律表现为n a v i e r - s t o k e s 方程： 堕+冬生：一土霎+要【v(挈+挈)】+z(2-2)at 叙，p 毵苏，一良，毵“ 式中“，表示笛卡尔坐标系中方向的速度分量( f ，= 1 ，2 ，3 ) ，p 表示流体压 力，p 表示流体密度，v 为流体运动粘性系数，f 为时间，f 为体积力。 湍流是自然界非常普通的流动类型，湍流运动的特征是在运动过程中液体 质点具有不断的互相混掺的现象，速度和压力等物理量在空间和时间上均具有 随机性质的脉动值。一般来说，非稳态的连续方程和n a v i e r - s t o k e s 方程对于复 杂湍流运动的瞬时运动仍然是适用的。考虑不可压流动，使用笛卡尔坐标系， 速度矢量厅在x 、y 和z 方向的分量为“、1 ，和w ，写出湍流瞬时控制方程如下： d v u = 0( 2 - 3 ) a 当u 。+ d i v ( u u ) ：一三窭f - v d i v ( g r a d u ) ( 2 - 4 a ) 武汉理工大学硕士学位论文 优+ d i v ( v u ) 一吉沙d i v ( g r a d v ) 掣+ 讲v ( w u ) ：一土字+ v 讲v ( g r a d w ) o tp0 2 ( 2 4 b ) ( 2 - 4 c ) 为了考察脉动的影响，目前广泛采用的方法是时间平均法，即把湍流运动 看作由两个流动叠加而成，一是时间平均流动，二是瞬时脉动流动。这样，将 脉动分离出来，便于处理和进一步的探讨。现引入r e y n o l d s 平均法，任一变量 矽的时间平均值定义为： 歹= 古一o ) d t ( 2 - 5 ) 矽= 歹+ ( 2 6 ) 式中“一 代表对时间的平均值，“7 代表脉动值，即为瞬时值、妒为 时均值及痧为脉动值。现在用平均值与脉动值之和代替流动变量，即： u = 西+ u ；”= 一+ 2 ；y = 可+ v ；w = w 一+ w ；p = 歹+ p ( 2 7 ) 将式( 2 7 ) 代入瞬时状态下的连续方程( 2 3 ) 和动量方程( 2 - 4 ) ，并对时间取 平均，得到湍流时均流动控制方程： d i v u = 0( 2 - 8 ) 墨+ 讲1 ，( _ ) ：一土要+ y d i v ( 口癫) “一芒一掣一i a u w 】( 2 - 9 a ) o tpo x僦鳓 a z 孚+ 西v ( - ) ：一三罢+ ，a i r ( 舯d r ) + 卜_ o u v 一等一掣】( 2 - 9 b ) o tp 鲫 o x 砂 院 孚+ d i v ( 一w u ) ：一土罢+ y d i v ( 矿口厕+ 卜掣一掣一芒】( 2 - 9 c ) 0 tp 宓o x洲彩 对于其他变量矽的输运方程作类似处理，可得： 孽胁( 如) ：挑( 驯m 一掣一掣一掣m ( 2 - 1 0 ) d to x洲o z 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 剑目前为止，我们一直1 段定流体密度为常数，但买际流动中，密度司能是 变化的。b r a d s h a w 等提出，细微的密度变动并不对流动造成明显影响，在此， 忽略密度脉动的影响，但考虑平均密度的变化，写出可压湍流平均流动的控制 方程如下( 为方便起见，除脉动值得时均值外，下式中去掉了表示时均值的上 划线符号“”，如歹用矽来表示) ： 连续性方程： 娑+ d ，( 胛) ：0 ( 2 1 1 ) 动量方程( n a v i e r - s t o k e s 方程) ： 掣+ d i v ( u ) ：一罢+ 州砌) + 一_ o ( p u 2 ) 一丝堕一旦学】+ & o to x o x o y o z 掣+div(ma)=一考+div(ot腑川一学一学一掣m铆馓o z _ o ( p w ) + 州p w u ) ：一罢+ 训d g r a d w ) + 【- 旦掣一掣攀一掣】+ s w o t比出 o y 眩 ( 2 - 1 2 ) 其他变量的输运方程： 掣t - d v ( 胛舻d v ( r g r a d ) + 【_ 皇攀一旦掣一旦缨】+ s ( 2 - 1 3 ) o t o xo vo z 由于式( 2 5 ) 中采用的是r e y n o l d s 平均法，因此，方程( 2 1 2 ) 称为r e y n o l d s 时均n a v i e r - s t o k e s 方程( r e y n o l d s a v e r a g e dn a v i e r - s t o k e s ，简称r a n s ) ，常 直接成为r e y n o l d s 方程。方程( 2 - 1 3 ) 是标量矽的时均输运方程。 用张量指标形式表示上面( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 和( 2 1 3 ) 式如下： 害+ 善- - - ( a u ，) = o ( 2 1 4 ) 掣+ 毒c 刖鸬，一毒+ 毒 考一厩，+ 墨 5 ， 掣t - 三( p u j ) ：三( r 望一p 万) + s ( 2 - 1 6 ) o tox，toei o x ， 。 武汉理工大学硕士学位论文 这里的i 和j 指标取值范围是( 1 ，2 ，3 ) 。可以看到，时均流动的方程里 多出与一p “；“j 有关的项，我们定义该项为r e y n o l d s 应力，即： 勺= 一p u j 矽u ( 2 - 1 7 ) 这里勺实际对应6 个不同的r e y n o l d s 应力项，即3 个正应力和3 个切应力。 2 2 湍流数值模拟方法 湍流流动是一种高度非线性的复杂流动，但人们已经能够通过某些数值方 法对湍流进行模拟，取得与实际比较吻合的结果。目前的湍流数值模拟方法可 以分为直接数值模拟方法和非直接数值模拟方法。所谓的直接数值模拟方法就 是指直接求解瞬时湍流控制方程( 2 3 ) 和( 2 - 4 ) 。而非直接数值模拟方法就 是不直接计算湍流的脉动特性，而是设法对湍流作某种程度的近似和简化处理， 上节的时均性质的r e y n o l d s 方程就是其中一种典型做法。依赖所采用的近似和 简化方法不同，非直接数值模拟方法分为大涡模拟、统计平均法和f l u e n t 中 通过某些数值方法对湍流进行模拟，它所提供的湍流模型有r e y n o l d s 平均法。 在2 1 节中已经推出了r e y n o l d s 平均方程( r a n s ) ，这里重点介绍r e y n o l d s 平均法中的涡粘模型。涡粘模型方法中，不直接处理r e y n o l d s 应力项，而是引 入湍动粘度( t u r b u l e n tv i s c o s i t y ) ，然后把湍流应力表示成湍动粘度的函数， 整个计算的关键在于确定这种湍动粘度： 一厩：鸬( 晏+ 挈) 一吾( + 以晏) 磊( 2 - 1 8 ) u 嘿j u x i 3 u 嘎l 式中鸬为湍动粘度，u l 为时均速度，谚，是“k r o n e c k e rd e l t a ”符号( 当f - ， 时，点，= 1 ；当f ，时， =)，r为湍动能：1 0 一 t = 盟 ( 2 1 9 ) 2 涡粘模型中的两方程模型在工程中使用最为广泛，最基本的两方程模型是 标准k - e 模型，即分别引入关于湍动能k 和耗散率e 的方程。此外还有各种改 进的k - e 模型。下面介绍一下f l u e n t 中提供的几种模型： ( 1 ) s p a l a r t - a l l m a r a s 模型 ( 2 ) k - e 模型，包括标准k -