船后伴流场预报及考虑空泡性能的螺旋桨优化设计研究

cssrc商用船舶螺旋桨设计和空泡试验总结近年来，随着船舶业的发展，商用船舶螺旋桨的设计和应用日益受到重视。

这些桨有助于推进船舶，提高其综合性能，满足日益增长的游览者需求。

本文重点论述了对商用船舶螺旋桨的设计、结构和动力特性的研究，以及对这类桨的空泡性能的试验。

首先，我们介绍了螺旋桨的设计原理。

为了更好地提高螺旋桨的效率和综合性能，需要综合考虑桨叶的数量、叶型、尖端角度、桨叶弯曲度和轮廓曲线等参数。

接着，对商用船舶螺旋桨的结构和动力性能进行了计算和计算实验研究。

数值模拟工具用于预测各种流动状态下桨叶的气动特性，以及螺旋桨在固定水深下的推进性能。

空泡试验用于衡量商用船舶螺旋桨在不同实际推进速度和推进功率下的空泡
性能，以及螺旋桨的轴力和抗扭力特性。

经过以上研究，我们发现商业船舶螺旋桨可以有效提升船舶的推进能力，同时确保船舶运行的安全性。

实验结果表明，螺旋桨具有良好的推进性能、节能性和可靠性。

此外，空泡性能测试也证明，在某些情况下，螺旋桨可以在低轴力和抗扭力条件下实现良好的推进效果。

综上所述，研究商用船舶螺旋桨的设计、结构和动力特性，以及对这类桨的空泡性能的试验，可以为未来的商用船舶螺旋桨的设计、研发工作提供重要的参考。

结论：
经过详细的研究和实验，我们认为商用船舶螺旋桨具有良好的推进性能、节能性和可靠性。

此外，空泡性能试验也证明，在某些情况
下，螺旋桨可以在低轴力和抗扭力条件下实现良好的推进效果。

因此，我们认为商业船舶螺旋桨可以有效提高船舶的性能，为未来船舶技术发展提供重要参考。

船舶推进效率优化的技术与方法在广袤的海洋上，船舶作为重要的运输工具，其推进效率的高低直接关系到运营成本、航行速度和能源消耗等关键指标。

优化船舶推进效率不仅能够降低能源消耗、减少环境污染，还能提高船舶的经济效益和竞争力。

因此，研究船舶推进效率优化的技术与方法具有重要的现实意义。

船舶推进系统是一个复杂的综合体系，涉及到船舶的线型设计、主机性能、螺旋桨设计以及船舶的运营管理等多个方面。

下面我们将从这些方面逐一探讨船舶推进效率优化的技术与方法。

一、船舶线型优化船舶的线型设计对其在水中的阻力特性有着至关重要的影响。

良好的线型设计可以有效减少船舶在航行过程中的阻力，从而提高推进效率。

在船舶线型优化中，首先要考虑的是船体的主尺度比，如船长、船宽、吃水等的比例关系。

较长的船长和较瘦的船型通常有利于减小兴波阻力；适当增加船宽可以提高船舶的稳性，但也可能会增加摩擦阻力。

因此，需要在稳定性和阻力性能之间找到一个平衡点。

此外，船体的首部和尾部形状也对阻力有着显著影响。

流线型的首部可以减少兴波阻力，而优化后的尾部形状能够改善尾流场，减少粘压阻力。

例如，采用球鼻艏可以在一定条件下抵消兴波阻力，提高船舶的航行效率。

现代船舶线型设计通常借助计算机流体动力学（CFD）软件进行模拟分析。

通过建立船舶的三维模型，模拟船舶在不同速度、吃水和海况下的水流情况，从而评估不同线型方案的阻力性能，并进行优化。

二、主机性能优化船舶的主机是推进系统的动力源，其性能的优劣直接影响到推进效率。

对于内燃机主机，如柴油机，优化燃烧过程是提高性能的关键。

通过改进喷油系统、优化进气和排气系统，以及采用先进的涡轮增压技术，可以提高燃烧效率，增加功率输出，同时降低燃油消耗和排放。

燃气轮机作为一种高效的主机类型，具有功率大、启动快等优点。

对于燃气轮机，提高压气机和涡轮的效率，优化燃气的燃烧过程，可以进一步提升其性能。

此外，主机的选型也非常重要。

需要根据船舶的航行需求、运营特点和燃料供应等因素，选择合适类型和功率的主机。

舰船尾流中气泡的结构静力分析由于气泡对船尾流的阻挡作用而导致船舶后部在水中出现上升现象，形成所谓的“舰船尾流”。

尾流中的水面称为尾迹，其中包含大量空气，空气存在着不可忽略的浮力，同时还受到浮力和重力的共同作用。

尾迹的存在严重影响船舶的稳性，当它很小时将会使船尾流场发生畸变，并改变主流场的均匀程度。

本文对这种尾流情况进行了理论分析。

根据尾流的特点可将其划分为二种类型：气泡尾流和气泡主流尾流。

在尾流中气泡是稳定的存在。

但是在具体实施中它有多种来源：从各舱内泄漏而出的气泡；舷窗、舷墙和舷梯等裂缝中的气泡；溢油区和燃油区以及各种水密接头处产生的空气；船壳缝隙和油水界面渗漏的气泡；在轴系转动过程中随轴线偏离而扩大的涡和气泡；由螺旋桨轴和推进器表面的间隙而生成的空气；在全船某些金属表面处所产生的气泡。

当这些气泡以气泡群的形式存在于尾流之中，则称为气泡尾流；若它们集中在某处或局部区域，则称为气泡主流尾流。

根据尾流气泡运动规律的差异，可将其分为两个亚型，即气泡尾迹和气泡主流。

船尾向下喷水形成的负压使后面水域形成一定的正压，前方水域因为压力不足而出现涡旋运动，尾流气泡就在涡旋的带动下加速运动，如果尾流气泡的数量和密度都比较大，就可能破坏整个水域的结构，造成尾流主流结构的失衡，严重时会导致船尾流动失常。

尾流中的空气以及外界环境所给予的附加阻力将给轮机系统增加负荷。

从而增加耗油量。

实际尾流情况较为复杂，必须经过计算才能得出尾流的特性参数。

因此有必要对尾流的主流做静力分析，这样就能在设计和计算时充分考虑尾流对轮机系统的影响。

目前，国内外在研究舰船尾流的结构和静力方面已取得许多成果。

本文将其分为四个章节来阐述，第一章绪论是简单介绍了航运业中存在尾流的情况。

第二章对尾流进行了定性和定量的描述。

2.。

本章节侧重于对尾流进行结构的静力分析。

3.第三章重点论述了尾流中水流动态参数的计算。

第四章侧重于对尾流主流进行分析。

通过对尾流的理论分析和计算结果的对比，我们可以得出如下的几个结论。

船舶电气与通信而脉冲上升、下降时间以及脉冲间隔时间对转速的波动和增压压力、排气温度的波动影响并不大。

(2)在多个电流脉冲过程中，脉冲时间间隔的不同，对第一个脉冲周期基本没有影响，但是对后面的循环有较大影响。

随着时间间隔日益缩小，柴油机的转速波动渐趋减小。

(3 )如果不在调速器设定和增压器选型方面采取措施，柴油机增压压力峰值为0.4 MPa，排气温度的峰值也在900T：左右。

主要原因是涡轮增压器转速相对于油量变化滞后，导致喷油量增加后，增压压力没有及时增加，使燃烧过量空气系数偏低，导致燃烧温度较高，但这种高排温是瞬时性的，表观温度处于合理范围[6]。

(4)随着机组综合惯量的减小，转速波动加剧。

(5)电子调速器的各个参数对转速波动有影 响。

比例控制加强，转速超调现象减弱；积分控制加强，转速超调增加；微分控制加强，对转速的影响较小。

(6)电子调速器精度降低后，转速波动率增 大。

排气最高温度降低；但每个脉冲周期排气温度高于700T：的时间仍约为3 s。

(7)涡轮增压器转子转动惯量减小后，转速波动减小，最高排气温度降低，最高排气温度持续时间缩短。

实践证明，机组的合理设计可满足脉冲工况使用要求；但为了优化机组的工作状态，更准确地控制电流脉冲波形，必须在调速器和增压器方面开展相关适用性改进并进行样机试验。

[参考文献][1]杨勇.扫雷用脉冲柴油发电机组研究[J].水雷战与舰船防护，2004 (3): 35-39.[2]赵同宾，陈金涛，王丽杰，等.脉冲负荷柴油发电机组仿真与试验[J].舰船科学技术，2010 (8): 37-43.[3]孙吉，周耀忠，苏广东.消磁脉冲电流对发电机组转速的影响及其改进措施探讨[J].海军工程大学学报，2008 (5)： 109-102.[4 ]朱鸿.遏制削弱积分PID控制算法在船用柴油机调速系统中的应用[J].船舶，2011 (3): 59-65.[5] 丁东东，曾凡明，吴家明，等.消磁船主柴油发电机组系统最佳参数确定[J] •舰船科学技术，2004 (6):21-24.[6]张霞云，孙伟，赵同斌，等.不同涡轮流通面积对脉冲机组瞬间特性的影响分析[J] •柴油机，2014 (5 ):13-15.[新M书^推@船用螺旋桨技术研究及系列图谱内容提要：该书第一作者简介：钱晓南，上海交通大学研究员，1959年船用螺旋桨技术研究及系列图谱部分包括螺旋桨的几 何形状、桨叶剖面翼 型的变化；在复杂运 动状态（变速、调速 和处于不同方位角 时）中，螺旋桨的流 体动力状况和相应工 程技术对策；空泡现 象和船后伴流场的模 拟试验和评估等。

研究支架空化问题首先应关注其前方的流动方向，其次才考虑其剖面形状对空化起始的影响 。由
于一 般 多桨 水面 船 舶尾 部船 底线 型 在横 向 从龙骨 向左右 舷两 侧 向上 倾斜 ，在纵 向 由前 向后 也 是 向上倾
斜 ， 因此水 流流 向并非 并行 于龙 骨线 ，而 是 由外 向 内偏 转 ，船 尾水 流 方 向与船 舶 纵 中剖面 存 在 一定 夹
手 两
要
水 面多桨船舶在 高速 航行 时，其双臂 支架极 易产生较强的不稳定 的片状 空泡 ，此空泡不仅会增加 支架 空
泡剥蚀的风险，还会 因为支架空泡的存在，加大伴流的不均匀性，从而增加螺旋桨叶片上空泡的不稳定性。
本 文采用 新型双臂 支架设 计、加工 、装配方法 ，在大型循环水槽 内利用全 附体船舶模 型进行 了双臂 支架 空泡 性能优 化的系列试验 。试验结果表 明，支架 空泡性 能对其 角度 的变化极 为敏感 ，合适 的支架 角度不仅 能显著 改善支架本身的空泡性能 ，亦可 改善螺旋桨 叶片上 的空泡特性 。
忽略 ， 随后设计了一套机构及平板模拟船底在空泡水筒进行了两个前轴支架的空泡对比试验 。 Ｂ ｊ ｏ ｒ ｎ ｒ 【 ２ Ｊ ，
Ｂ Ｎｉ ｃ ｏ ｌ ａ ｓ 利 用 重叠 网格 的方 法 预报 了水 面船 舶全 附体 实 尺度 及模 型 尺度 下 的阻力 与流 场变 化特 性 ，计 算结 果 经 与实 船 试验 数据 比较 ，在 阻力 、波 形 、压 力和 速 度分 布 等 方面 尚有 待提 高 ，但 模 型尺 度 下计 算 结 果 比较 理 想 。 国内黄 胜［ ３ ］ 、单铁 兵 ，利 用 Ｒ ＡＮＳ方 法计 算 了 附体及 支架 的船 尾流 场 ，其计 算 结果 表 明附体 及 支架 对 螺旋 桨 盘面 处流 场 有影 响 ，特 别 是在 支架 周 围 ， 由于双 臂支 架及 支 架包 套 的存在 ， 桨 盘 面处 轴 向伴流 增 大 ，并 出现 了较 大 的伴流 峰 ，伴 流脉 动量 增 大 。王展 智Ｌ ４ Ｊ 、熊鹰 等利 用 Ｃ Ｆ Ｄ 计算

船后螺旋桨非定常空化性能研究
随着提高船舶航行速度的需求，必将导致螺旋桨旋转速度的增加。

当螺旋桨表面压力降低到蒸汽压强时，将发生空化现象。

空化的发生影响螺旋桨的水动力性能，可以产生振动，空蚀，噪声等不良影响。

因此，预报螺旋桨的空化成为改善和提高螺旋桨的性能的重要基础。

目前，螺旋桨非定常空化数值模拟主要通过在桨前加伴流分布的方法，而此方法虽然在一定程度上可以表现出空化特征，但是由于没有考虑到船桨之间的相互干扰，导致流场计算存在一定的误差。

根据合适的网格划分和计算域的选择，可以将船体和螺旋桨进行整体建模计算尾流中的螺旋桨的空化性能。

本文以计算船后螺旋桨空化为目的，首先准确模拟不同型号的螺旋桨的定常和非定常水动力性能，预报了均匀伴流场中DTRC4119和DTRC4381螺旋桨的敞水性能，同时计算了DTRC4199螺旋桨剖面压力系数。

预报了Seiun-Maru HSP螺旋桨在非均匀伴流场中螺旋桨的非定常水动力性能。

求得螺旋桨的水动力系数，并与试验值进行比较。

其次，对二维水翼NACA66(mod)的定常空化和二维水翼NACA0012空化周期性脱落现象进行了计算，并计算了螺旋桨DTRC4381的定常空化性能，证明数值模拟方法的可行性。

对KCS船体和KP505螺旋桨整体建模计算了船体伴流场和船桨干扰现象，讨论了船体和螺旋桨之间的非定常相互干扰性能以及船体表面的压力分布，对船体和螺旋桨的阻力性能进行了分析。

最后，应用船桨干扰计算模型计算船后螺旋桨的非定常空化性能，分析了网格布置疏密及不同空化数对螺旋桨空化覆盖面积和螺旋桨阻力和效率的影响，同时讨论了桨前速度分布及压力分布情况。

螺旋桨优化设计及特性分析概述：螺旋桨作为船舶和飞行器的重要部件，具有至关重要的作用。

优化设计和特性分析是研究螺旋桨性能的关键。

本文将从螺旋桨的设计原理、优化流程及特性分析三个方面探讨螺旋桨的优化设计及特性分析。

螺旋桨的设计原理：螺旋桨设计的基本原理是通过叶片的几何参数和其绕中心轴的旋转来造成流体的流动，从而产生推力。

螺旋桨的设计要素主要包括叶片数、叶片截面形状、叶片扭曲、叶片展位角等。

其中，叶片数和叶片截面形状直接影响螺旋桨的推进效率，而叶片扭曲和展位角的设计则会影响螺旋桨的噪音、振动等特性。

螺旋桨优化设计的流程：螺旋桨的优化设计可以分为几个步骤，包括初始设计、离散化、流场计算、性能评价和优化设计。

在初始设计阶段，需要确定螺旋桨的类型、工作条件和设计目标。

离散化是将连续的叶片分割成离散的控制点，以便进行后续的流场计算。

流场计算使用计算流体力学方法，通过求解流体力学方程组，分析螺旋桨的流场，得到其叶片负载和推力性能。

性能评价是对螺旋桨的性能指标进行综合评估，包括推力、效率和噪音等方面。

最后，根据评价结果进行优化设计，通过改变叶片几何参数，实现螺旋桨性能的最优化。

螺旋桨特性分析：除了优化设计，对螺旋桨特性的分析也是非常重要的。

特性分析包括推力特性、效率特性、噪音特性等方面。

推力特性是指在不同工况下，螺旋桨的推力输出量和输入功率之间的关系。

效率特性是指螺旋桨的功率转换效率，即输出推力与输入功率的比值。

噪音特性是指螺旋桨在运行时产生的噪音水平，主要影响因素有叶片振动、湍流噪音和相对流噪音等。

通过对这些特性的分析，可以评估螺旋桨的性能并对其进行改进。

结论：螺旋桨优化设计及特性分析是提高螺旋桨性能的关键。

通过合理的设计和优化，可以提高螺旋桨的推进效率和降低噪音水平，从而提升船舶和飞行器的整体性能。

在未来的研究中，可以结合新的设计理念和计算方法，进一步提高螺旋桨的性能，并在实际应用中持续改进和优化。

总而言之，螺旋桨的优化设计及特性分析是一个复杂且持续的工作，需要综合考虑多个因素和方法。

螺旋桨模型空泡试验指导书一、试验目的和意义由于桨叶负荷过重以及船尾流场的不均匀而产生的螺旋桨空泡，是导致桨叶剥蚀损伤和船尾强烈振动的重要原因。

避免螺旋桨空泡激振，已成为近代商船螺旋桨设计中必须考虑的一个重要因素。

因此，对空泡的机理、尺度效应、预测方法及防止对策等问题的研究就显得日趋重要了。

螺旋桨模型空泡试验是进行上述研究的一个重要手段。

试验一般在空泡试验筒或减压水池中进行，螺旋桨模型的进流可以是均匀来流或模拟船尾伴流。

通过本试验可以观察和测量桨叶上空泡的初生、消灭及空泡区域、体积随时间的变化情况，测量不同空泡数时螺旋桨模型的水动力性能等。

本教学试验的目的是使学生对螺旋桨空泡现象有一个感性认识，并初步掌握螺旋桨模型空泡试验的方法。

二、相似定律用模型试验来研究螺旋桨的空泡现象时，除应满足敞水试验的相似条件外，还必须考虑空泡现象的模拟问题。

表征空泡现象的系数是空泡数σ：20021V p p vρσ−=其中，s a h p p γ+=0。

若两几何相似的螺旋桨进速系数相等，则在实桨和桨模对应点处的速度成比例，各对应点处的减压系数：1)/(2120200−=−=V V V p p b bρξ必将一一对应相等。

若能满足对应点空泡数相等，则各对应点处的减压系数ξ与空泡数σ的关系保持一致，因而空泡现象得到了模拟。

在未产生空泡时，两几何相似的螺旋桨只要满足进速系数相等的条件，便可通过伯努利方程推导出压力相似的条件。

但在产生空泡以后，尚需满足空泡数相等的条件。

综上所述，实桨和桨模空泡相似的条件为：m S J J = m s σσ=式中，下标s 和m 分别代表实桨和桨模所对应的值。

现进一步讨论满足上述相似条件时，实桨进速与桨模进速，以及实桨转速与桨模转速之间的关系。

由进速系数相等的条件可以导出：λ1.s m As Am n n V V = 其中m s D D /=λ为模型的缩尺比。

满足空泡数相等的条件为：20202121As s vss Am m vm m V p p V p p ρρ−=−设s m ρρ=，则有vss vmm As Amp p p p V V −−=00假设试验在敞露的水池中进行，且桨模的沉没深度与实桨相等，则s m p p 00=；在常温下进行试验时， vs vm p p =。

Key words: Propeller; Cavitation; Noise; Numerical Simulation
II
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
目
摘
录
要............................................................................................................. I
Investigation on the Numerical Simulation of Propeller Hydrodynamics、Cavitation and Noise
Candidate Major
: :
Wang Guodong Design and Construction of Naval Architecture and Ocean Structure Prof. Zhang Zhiguo
分 类 号 学校代码 10487
学号 M201071310 密级
硕士学位论文
螺旋桨水动力、空泡和噪声性能 预报方法研究
学位申请人： 王国栋 学 科 专 业 ： 船舶与海洋结构物设计制造 指 导 教 师 ： 张志国 教授 答 辩 日 期 ： 2013 年 2 月 1 日
A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of En学 位 论 文
Abstract
The propeller is the most commonly used modern ship propulsion unit, so its performance of hydrodynamics is extremely important for ship. How to design a propeller with high propulsion efficiency, no cavitation or low noise pressure level is still a problem of great concern. In this paper, the development of propeller design and performance prediction methods was reviewed. Also the methods of MRF and dynamic mesh usual used for solving the Reynolds Average Navier-Stokes Equations (RANSE) in the flow field with propeller rotational movements were analyzed in this paper. The fundamental theory of numerical prediction of propeller performance in this paper is turbulence model, cavitation model and noise model. They were all introduced at first. The uncertainly analysis of numerical simulation was performed according to ITTC standard in the prediction of DTMB4119 propeller hydrodynamics. For the purpose of method investigation, the numerical simulation of open-water propeller performance at forward, back or crashback status was made in FLUENT software suits. The numerical results were of a great agreement with the model experimental results. The prediction of fluid dynamic interaction between propeller and the hull was a very important part of this paper. With a focus on fluctuating forces on the propeller, which may induce vibration, I computed the time history of forces and moments on different parts. The spectral analysis of the blade load time history showed the force had a strong peak at the blade frequency. From the detailed analysis of the propeller sheet cavitation, we confirmed that the Zwart and Sauer cavitation models can accurate prediction the cavitation size, shape and location on the blade. In addition, we could obtain the radiated noise through equations of FW-H. The field of noise was also reliable. Based on the results I obtained results with good agreement with model test results, and verified the accuracy using the numerical simulation method.

基于ANSYS的船用螺旋桨模态分析与优化设计利用UG软件对船用螺旋桨模型进行处理，并用ANSYS有限元仿真软件分析其模态振型，首先分析无支撑情况下螺旋桨单叶片的模态振型，提取振幅最大模态。

设计支撑方案，确定支撑位置并进行约束模态分析，结果显示螺旋桨单叶片频率有所提高，增加了加工刚度，最后确定优化的支撑方案，显著提高了螺旋桨的刚度，减小各阶模态的振动位移，对实际加工具有重要意义。

标签：ANSYS有限元分析；螺旋桨模态分析；优化设计Abstract：The model of marine propeller is processed by UG software，and its modal mode is analyzed by ANSYS finite element simulation software. Firstly，the modal mode of single blade of propeller without support is analyzed，and the maximum amplitude mode is extracted. The results show that the frequency of single blade of propeller is increased and the machining stiffness is increased. Finally，the optimized bracing scheme is determined，and the stiffness of propeller is improved significantly. It is of great significance to reduce the vibration displacement of each mode for machining.Keywords：ANSYS finite element analysis；propeller modal analysis；optimal design螺旋槳是舰船的主动力装置，其设计与制造精度直接决定舰船运行性能。

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万方数据
５ｌ卷第ｌ期（总第１８９期）
赵威，等：船舶螺旋桨螺距及拱度的优化设计研究
式（５）中于：为给定的桨叶负荷径向分布形式，归一化方法同厂卅。占，为ｃｒｒ的允许误差，本文取
占．＝０．０５％。 选择桨叶各半径剖面的螺距尸Ｄ，和最大拱度／幺为优化变量，为了减少计算量，可根据设计条件限
度的分配有直接影响。图７、图８分别为Ａ、Ｂ桨的负荷弦向分布（ＳＰＲｏＰ计算结果），二者均分别接
针对不同类型的优化问题，ｉＳＩＧＨＴ软件预先设定了若干优化方案，各个优化方案通常由两种或更 多的优化方法组合而成、分步实施，从而提高优化计算的精度、效率及稳定性。针对本文提出的优化 问题，作者通过对不同优化方案的计算比较，决定选用ＥＸｐｌｏｒａｔｉｖｅ优化方案。该方案包括两种数值优 化算法，依次为解决非线性约束优化问题的广义既约梯度法（ＧＲ－Ｇ）与序列二次规划法（ＳＱＰ），其数 学模型详见ｉＳＩＧＨＴ软件用户说明书【ｌｌ】，这里不再赘述。具体的计算过程是，首先利用ＧＲＧ算法对优 化问题求解，得到该算法的最优解，然后以此最优解作为初值进行ＳＱＰ算法的求解。因此在ＳＱＰ算法 求解时，其初值必然是一组可行解，缩小了二次求解的变量空间，使该求解过程更加精细准确，同时 由于前后两次求解采用了不同的优化算法，可以减少陷入局部最优解的可能性。
Ｂｅｎｉｎｉ垆Ｊ开发了基于遗传算法的系列螺旋桨多目标优化方法，采用试验数据的回归公式计算敞水性 能。以敞水效率和推力最大化为目标、Ｋｂｌｌｅｒ空泡限界公式为限制条件，对Ｂ系列桨优化计算获得了 推力系数、敞水效率、盘面比等设计变量的最佳组合图谱，并提出了已知设计航速时，确定最佳直径 和／或最佳转速的设计步骤。ｃｈｅＩｌ等【６】也以Ｂ系列桨为对象，以敞水效率和激振力为综合优化目标，开 发了基于遗传算法的设计方法。系列桨性能采用回归公式计算，激振力计算采用升力面方法。该方法

潜艇尾部几何、时均流场、螺旋桨低频线谱噪声关系初步研究姚惠之、沈泓萃、朱锡清（中国船舶科学研究中心，江苏无锡）摘要潜艇尾部流场由于受到艇体、指挥台围壳、尾附体的影响，表现为空间分布的不均匀性和时间上的不稳定性，这种空间和时间上的变化引起了运转其中的推进器的非定常力、瞬变空泡和噪声辐射。

其中，螺旋桨低频线谱噪声除了与其自身几何密切相关外，还与上述前方来流有着密切的联系。

作者针对对潜艇性能影响显著的潜艇尾部线型采用参数设计方法设计了系列模型，基于采用热线风速仪测量建立的流场数据库，分析了潜艇桨盘面处时均尾流特征，并通过计算，讨论了尾流对螺旋桨低频线谱噪声的影响。

在此基础上，对潜艇尾部几何、流场和螺旋桨低频线谱噪声的相关关系进行了初步探讨，为低噪潜艇尾型设计和进一步深化研究打下了一定基础。

关键词：潜艇线型、系列设计、时均流场、螺旋桨线谱噪声、相关关系1 引言潜艇几何线型是考虑建造工艺、任务使命等诸多因素后性能权衡优化的结果，其形状的演变留下各个时期对其具体要求的痕迹。

当前，对潜艇安静性的要求不断提高，潜艇几何设计必然要适应于这一需要而发生一定的变化。

从八十年代开始，较系统地进行了潜艇线型设计和综合优化的研究工作，并逐步形成了可以逼近现代潜艇线型的艇体几何生成、流场预报、螺旋桨噪声预报和水动力综合性能分析方法，为潜艇性能预报和水动力学综合研究打下了良好的基础。

随着对降噪要求的不断提高，潜艇的水动力几何外形又成为进一步挖潜的重点。

由于当前潜艇是以水下航行为主的海上作战平台，因此其周围的水流对其各项水动力性能具有决定性影响。

一条可行的途径是以流场为桥梁，将潜艇几何和相关的水动力性能结合起来开展研究。

“2000——2035年美国海军技术”一书指出：“对于潜艇应着重发展隐身和构型等技术，它们都涉及外部水流的控制，目标是降低噪声、提高推进效率和艇的机动性以及降低水动力目标特征等。

……外部水流的控制可以通过改变潜艇壳体及其附体的形状，将推进器与壳体及其周围的水流场组合在一起研究来达到目的”。

推进器尾喷流对超空泡外形及性能的影响研究的开题报告一、研究背景随着航空航天事业的不断发展，超空泡技术逐渐成为研究热点，特别是在高速飞行器的空气动力学设计中，超空泡外形的应用已经成为一个必须考虑的因素。

然而，超空泡的性能表现受到推进器尾喷流的影响，这也成为超空泡设计中的一个重要问题。

因此，本研究拟就推进器尾喷流对超空泡外形及性能的影响进行研究。

二、研究目的本研究旨在探究推进器尾喷流对超空泡外形及性能的影响，分析其影响因素，并提出一些可行的解决方案，为超空泡技术的研究与应用提供支持和保障。

三、研究内容1. 分析推进器尾喷流对超空泡外形的影响，研究其原理和机理。

2. 通过数值模拟和实验方法，探究推进器尾喷流与超空泡的相互作用，以及喷流对超空泡表面的扰动效应，并分析其特点和规律。

3. 对比分析不同喷口形式、喷口尺寸、推进器功率等因素对超空泡表面的压力分布、阻力系数、升力系数等性能指标的影响，为超空泡的优化设计提供参考。

4. 针对推进器尾喷流对超空泡表面的扰动效应进行探究，提出相应的控制方案，以减小喷流对超空泡性能的不利影响。

四、研究方法1. 数值计算：利用CFD软件对推进器尾喷流与超空泡的相互作用进行数值计算，并对计算结果进行分析和评估。

2. 实验研究：通过水池实验和风洞实验等方式，对推进器尾喷流与超空泡的相互作用进行实验测量，并对实验结果进行分析和评估。

3. 综合分析：将数值计算和实验研究的结果进行综合分析，确定推进器尾喷流对超空泡性能的影响因素，并提出优化设计方案。

五、研究意义1. 为超空泡技术的研究与应用提供理论支持和可行性方案。

2. 拓宽推进器尾喷流与超空泡相互作用的研究领域，提高其应用性和实用性。

3. 为航空航天事业的发展提供技术支持和保障。

基于船舶尾部变形的船尾伴流场尺度效应研究随着新船能效设计指数EEDI的提出,船舶在节能方面的需求也在逐渐提高,而船尾伴流场的研究,对于船舶节能与推进性能的提高则发挥着至关重要的作用。

特别是船尾伴流场尺度效应的存在给螺旋桨的设计和性能预报都带来了极大的
困扰,研究尺度效应的特性,进而修正尺度效应的误差一直是船舶流体动力学的
研究热点。

本文以数值计算的方法为主要研究手段,对六个不同尺度的KCS船舶模型,
进行了船尾伴流场的数值预报,通过比较分析,研究尺度效应对尾部伴流场产生
的具体影响,而后探讨了船舶尾部收缩变形对伴流场的影响,利用反向设计的原
理和智能假体模型(Smart Dummy Model,简称SDM)的概念,确定了模型尾部发生
变形后与实尺度船舶伴流场十分接近的变形方案。

并在此变形规律基础上,对另一艘5100TEU集装箱船模进行了适用性方面的讨论。

另一方面,本文对具有修正伴流场尺度效应的SDM变形方案和未做变形的KCS模型利用粒子图像测速仪(PIV)进行流场测量及分析,并将测量结果与数值
模拟结果进行对比,利用试验的结果验证数值模拟的准确性。

基于船尾变形的伴流场尺度效应修正,为船模标称伴流场测量试验修正由于尺度效应产生差异提供了一种新的修正思路,也为修正尺度效应影响的SDM螺旋桨激振力试验和SDM自航试验的研究,做了很好的铺垫。

1 数学模型与分析1.1 计算模型本文采用计算模型为KRISO 的3600TEU 集装箱船模型KCS （KRISO container ship ），是被国际ITTC 推荐的标准模型，具有很强的代表性，可参考的数据文献也很丰富，这有利于加强研究的准确性与客观性。

KCS 船模型如图1所示，用STAR-CCM+软件对KCS 模型船尾伴流进行数值计算[1]。

式中：ρ为流体密度；μ为流体运动粘性系数；u 为笛卡尔坐标系中的速度矢量；u i 为速度分量；为时均速度分量；为雷诺应力项。

2 基于叠模法的精度研究2.1 基础网格尺寸网格的合理划分是影响计算结果的关键。

CFD 计算中基础网格尺寸根据STAR-CCM+相关专业文件的建议，取值范围在L /30~L /80之间，文章分别取L /35、L /55和L /75，湍流模型选Realizablek-ε模型，时间步长取0.04 s ，网格生成方式和局部加密区域也保持一致。

壁面处理选取了全y+壁面处理法，生成总厚度为0.02 m 的边界层。

模拟结果与实验结果比较，探究不同网格尺寸对计算结果的影响。

在误差分析过程中，监测笛卡尔坐标系下距离桨盘后方0.25 D 处的轴向伴流值，参考SRI 水池给出的实验数据，选取并探测了距坐标原点Z =-140 mm 直线处的11个测点，Z =-320 mm 直线处的9个测点与Y =80 mm 直线处的16个测点的u /U 值(u 为标称伴流值，U 为船速)的大小。

并比较桨后0.25 D 盘面处不同直线处各点与实验值相比的平均误差、最大误差与方差来表示计算精度。

2.2 时间步长计算时间步长的大小会严重影响计算结果，文中选取时间步长分别为0.02 s 、0.04 s 与0.06 s 对船模进行数值模拟。

CFD 计算中，基础尺寸取L /55，湍流模型选Realizablek-ε模型，对不同时间步长模拟结果做误差分析。

根据研究结果得知，当时间步长越小，模拟误差相对越小，模拟结果更精确[2]。

预报船后伴流场中空泡螺旋桨诱导之脉动压力的一个实用方法
及其验证
叶永兴;邢文萍;唐登海
【期刊名称】《船舶力学》
【年(卷),期】1998(000)005
【摘要】在船舶设计阶段，早期预报其振支性能对舰船设计师是非常重要的。

本
文提出了一个预报船后伴流场扣空泡螺旋浆诱导之脉动压力的一个实用方法，即应用准定常升为线理论与二元空泡叶栅理论相结合来计算叶在船后各角位置上的空泡面积，然后再计算脉动压力，在升力线准定常计算中引入了升力面及粘性修正血子。

空泡叶栅计算表明比线生化民水翼理论更接近值，它考虑了叶片之间的干扰作用。

采用重叠船模的Ｈｅｓｓ－Ｓｍｉｔｈ方法计算出船尾
【总页数】8页(P1-8)
【作者】叶永兴;邢文萍;唐登海
【作者单位】中国船舶科学研究中心;中国船舶科学研究中心
【正文语种】中文
【中图分类】U661.44
【相关文献】
1.空泡螺旋桨诱导的双桨船脉动压力数值预报 [J], 叶金铭;熊鹰;孙海涛;王展智
2.空泡螺旋桨诱导的船体脉动压力预报 [J], 叶金铭;熊鹰
3.船后螺旋桨空泡脉动压力数值预报及试验对比 [J], 刘登成;周伟新
4.螺旋桨空泡诱导的脉动压力预报及振动风险评估新方法 [J], 黄红波
5.双桨船螺旋桨空泡脉动压力的试验及数值研究 [J], 徐野;熊鹰;黄政
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船模伴流场修正对螺旋桨激振力预报的影响
伍锐;季盛;沈浩;陈洋
【期刊名称】《上海船舶运输科学研究所学报》
【年(卷),期】2009(032)002
【摘要】介绍Hoekstra船模伴流修正方法、伴流模拟方法及螺旋桨激振力测量的试验过程.以第16届ITTC推荐的Sydney Express桨为研究对象,在上海船舶运输科学研究所空泡实验室用网格方法模拟船舶艉部流场,通过布置在桨模上方相应位置平板上的5个传感器进行了脉动压力测量.比较螺旋桨在船模伴流场和使用Hoekstra法换算得到的实船伴流场中工作时激振力的预报值及桨模空泡形态,并与实桨对比,就伴流场修正对螺旋桨激振力预报的影响作了探讨.
【总页数】6页(P10-15)
【作者】伍锐;季盛;沈浩;陈洋
【作者单位】上海船舶运输科学研究所运输事业部,上海200135;上海船舶运输科学研究所运输事业部,上海200135;上海船舶运输科学研究所运输事业部,上海200135;上海船舶运输科学研究所运输事业部,上海200135
【正文语种】中文
【中图分类】U664.33
【相关文献】
1.预报船后伴流场中空泡螺旋桨诱导之脉动压力的一个实用方法及其验证 [J], 叶永兴;邢文萍;唐登海
2.潜艇艉部伴流场,螺旋桨激振力研究 [J], 何汉保;张有庆
3.艇桨一体的螺旋桨激振力和水动力噪声数值预报 [J], 王诗洋;汤佳敏;王文全;张祥瑞
4.兴波及航态对螺旋桨激振力预报的影响 [J], 鲁利; 徐野; 熊鹰
5.艉部导流装置对伴流场和激振力的影响 [J], 沈贻德
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