现代螺旋桨数值分析与模型试验研究

现代螺旋桨数值分析与模型试验研究

1桨程的数值试验应用随着中国船舶运输业和国防的发展，以往的螺旋式手册设计方法由于局限性而设计的螺旋质量指数无法满足船舶使用部门对船舶提升性能和振动水平的要求。目前，航道市场和国防建设界需要采用更先进的现代方法，有效设计出高效、低振动、低噪声的螺钉。自1919年Betz创立螺旋桨最小能量损失条件以来,Golstein在1929年提出的最佳环量分布理论,Lerbs在1952年提出的诱导因子法,Morgen在1968年提出的升力面修正以及Kerwin在1978年提出的数值升力面理论,从升力线理论到升力线理论加升力面修正再到现代升力面理论,螺旋桨理论历程90多年的发展,日臻完善。其完善的标志是理论预报螺旋桨性能的准确精度已能满足工程要求,为建立设计螺旋桨的现代化手段奠定了基础。特别要指出的是,电脑硬件容量扩充和速度的提高,计算软件多样化和可视化功能,进一步促进现代船用螺旋桨设计方法的实现和推广应用。为了在实际中应用现代船用螺旋桨设计方法,首先对基本程序进行了大量的考核数值试验,试验对象为世界著名两大螺旋桨Troost系列(荷兰)和MAU系列(日本),共计27个不同几何参数的螺旋桨。这些螺旋桨具有国际公认的准确试验数据。通过对数值试验结果与试验结果比较,调整修改程序数学模型参数的反复过程,最终将基本程序计算结果准确度的考核误差控制在3%～5%以下,从而保证本程序满足工程质量要求。为了将独立的基本程序构成方便实用的程序包,实现基本程序之间的数据传输和联结,进行了基本程序输入/输出数据文件的格式化工作。在研究中,还应用本实用程序对一艘新造船的螺旋桨,进行了设计和性能预报计算,并制作了大、小桨模型,分别在上海船研所的船模水池和空泡水筒进行了桨模敞水性能试验、船舶功率、转速匹配的船模自航试验和桨叶空泡观察以及激振力测量试验,全面考核程序设计螺旋桨的性能和预报结果。验证结果表明,在螺旋桨设计点附近,本程序计算的性能预报结果与试验结果比较相差在3%以下,螺旋桨与主机功率、转速匹配极佳,并比要求设计航速提高0.17节,螺旋桨在船后不均匀伴流场中的桨叶空泡仅出现在桨盘面上方40°的很小范围内,最大空泡面积约3%,最大激振脉动压力水平仅为衡准值的50%。应用研究的另一个重要内容是程序的界面提示、数据图形和螺旋桨设计图的输出。研究结果表明,应用现代船用螺旋桨设计方法,可使设计螺旋桨的总体性能,明显优于传统的图谱设计结果,起到量体裁衣的作用,满足国民经济和国防建设的需求。2基本程序的数值试验和改进2.1螺旋性能预报程序的概念任何一个计算应用程序均以对给出计算对象的数值结果为特定目标,数值结果的合理性和准确度是应用程序的质量标准。因此必须通过数值试验对应用计算程序作全面考核,考验其合理性和准确度,这是应用计算机程序成功解决实际问题的前提。螺旋桨性能预报程序是本应用程序中的一个基本程序。该基本程序是在已知桨叶几何的情况下,计算出不同工况下螺旋桨水动力特性即推力、扭矩系数、桨叶表面上的速度分布和压力分布的应用程序,通常称之为螺旋桨正问题计算程序。而螺旋桨的反问题计算程序则是螺旋桨设计程序,即该程序可根据给定的设计要求计算出满足这一设计要求的螺旋桨几何形状。由于求解螺旋桨的正问题过程是通过假定桨叶几何形状去满足设计要求水动力特性的逐次叠代逼近过程,因此,螺旋桨性能预报基本程序是螺旋桨设计程序中重要的组成部分。由此可见,螺旋桨性能预报程序的质量直接关系到性能预报以及螺旋桨设计的质量。这就是对螺旋桨性能预报基本程序进行数值试验的必要性。2.2试验数据的选择进行螺旋桨性能预报程序的数值试验,核定数值计算结果的合理性和准确度,必须找到具有详细几何数据的桨叶资料及其可作为数值计算结果检验标准的可靠的试验数据,作为比对基础。本研究选择螺旋桨MAU系列(日本)和B系列(荷兰)作为数值试验的计算对象。这两个螺旋桨系列是当今世界航运船舶中得到最广泛应用并经受了数十年时间实践考验的螺旋桨系列,具有详细的桨叶几何资料和行业认可的试验数据资料。应用螺旋桨性能预报程序作数值试验的具体对象如下表:由上表可见,本研究对两个系列螺旋桨所做的数值试验,桨叶数为4叶和5叶,盘面比Fa/f由0.4至0.8,螺距比P/D由0.4至1.3,共计26个螺旋桨。2.3数值试验结果的调整在基本程序中对数学模型设定的参数未作调整的情况下,数值试验结果表明:(1)计算结果与试验数据的符合程度与诸多要素有关,如进速系数、螺距比、盘面比等。(2)计算结果与试验数据的不符合程度与进速系数关系最大。低进速系数情况下,计算得到的推力系数低于试验结果可达20%。(3)计算结果与试验数据的不符合程度具有随进速系数增加而减小的规律。为了改进数值试验的计算结果,对基本程序中螺旋桨尾涡数学模型如下参数适当调整再作数值试验:(1)螺旋桨尾流收缩比;(2)尾涡过渡区范围角;(3)尾涡过渡区涡线螺距角;(4)运尾涡区螺旋涡线螺距角。通过对上述参数的调整—数值试验—再调整—再数值试验的过程,数值计算结果与试验结果的符合程度得到较大的改善。特别是对远尾涡区螺旋涡线螺距角的重新设定,对数值计算结果的改进具有较大的作用。通过对数据的分析,提出如下意见:(1)用调整数学模型参数的方法,可全面改进程序计算结果与实验数据的符合程度;(2)除个别的进速系数、螺距比等,调整数学模型参数后的计算结果与实验结果的误差均可控制在5%以下;(3)对MAU系列和B系列螺旋桨而言,MAU系列螺旋桨的程序计算结果更接近实验数据,说明对不同的螺旋桨系列,欲提高程序计算的准确度,宜采用不同参数的数学模型;(4)随理论设计螺旋桨试验数据的积累,计算程序中的数学模型会得到进一步的改进,可逐步减少对计算数据进行验证的试验工作量。3螺旋优化设计程序现代船用螺旋桨应用程序包由以下4个基本计算机应用程序组成:(1)螺旋桨水动力性能计算程序;(2)螺旋桨设计计算程序;(3)桨叶最佳侧斜选择计算程序;(4)螺旋桨强度有限元计算程序。程序包的运行是通过执行屏幕FORTRAN语言命令来实现的,而程序包内4个基本程序的相互联结,由每个程序的输入/输出文件来实现。为了清楚了解程序包内部基本程序和输入/输出文件之间的关系,给出如图1的程序包结构框图。现代船用螺旋桨实用程序包采用混合编程形式。以MSFORTRANPOWERSTATION作为核心软件建立动态连接库,完成设计、性能等主要计算功能;以VisualBasic作为界面支撑软件完成数据输入、数据传递、结果表达以及螺旋桨绘图,在螺旋桨绘图中采用B样条曲线拟和螺旋桨伸张轮廓、切面形状、正投影、侧投影;以AutoCAD作为螺旋桨设计图纸输出支撑软件,图形文件采用DXF格式,计算结果以MSWORD文档形式表达。现代螺旋桨实用程序软件包由多极界面窗口组成,启动窗口(见图2)中显示了程序的名称及版权的拥有者,驱动“运行”命令按钮再驱动“理论桨”命令按钮,可进入理论桨子程序软件包。理论桨程序驱动窗口(见图3)设有“设计”、“性能计算”、“绘图”、“侧斜选择”、“有限元强度计算”和“返回”6个命令驱动按钮,分别驱动前5个按钮显示下一级控制窗口进而完成理论桨设计、性能计算、螺旋桨绘图、最佳侧斜选择以及螺旋桨有限元强度校核。理论桨设计程序驱动窗口(见图4)设有2个数据表格和7个命令驱动按钮。数据表格用于显示设计计算结果,包括螺旋桨直径、盘面比、毂经比、最大侧斜角以及螺距分布、拱度分布、叶宽分布、厚度分布、侧斜分布和纵倾分布。理论桨性能计算程序驱动窗口(见图5)设有5个命令驱动按钮。螺旋桨绘图程序驱动窗口(见图6)设有一个图形框显示螺旋桨图形和4个命令按钮。4对螺旋模型试验结果的验证4.1非工况点宣传的数值试验通过模型试验,可以验证计算设计螺旋桨的性能达到指定设计指标的程度,同时也检验了螺旋桨设计计算程序的运行质量。由于螺旋桨模型试验除了给出螺旋桨在设计工况点的性能之外,还能给出非工况点的性能特点,所以进行螺旋桨模型试验还可以检验螺旋桨性能预报程序,对非MAU系列和B系列即非常规螺旋桨性能的预报质量水平。应用程序,为一条新造船,计算设计了螺旋桨,制作了大小桨模,分别在船模拖曳或水池和空泡水筒中进行了桨模的敞水试验、船体——螺旋桨——主机功率和转速匹配与航速预报的船模自航试验,桨叶空泡图象观察试验和螺旋桨诱导脉动压力测量试验等。4.2螺钉设计4.2.1施工条件据技术要求,设计前提如下:4.2.2计算设计中螺钉的几何元素的计算具有径向分布的几何要素列表如下:具体桨叶形状示于图7。4.3模型试验检查应用程序计算结果的验证4.3.1主机功率与转速匹配问题用缩尺比λ=23的船模的桨模,在船模拖曳水池中进行了船模自航试验。据试验数据,对实船的主机功率、转速和航速的预报数据如右表。由右表可见,在船舶设计吃水条件下,螺旋桨吸收主机功率CSR时,对应的主机转速为136.02/min,主机功率与转速的匹配完全符合设计要求,而当螺旋桨吸收持续功率储备15%的主机功率时,预报航速为16.82kn,比船舶建造合同要求的航速提高约0.17kn。以上数据说明,计算设计螺旋桨性能满足主机功率转速匹配的航速要求。4.3.2试验结果对比用缩尺比λ=23的计算设计螺旋桨模型在拖曳水池中进行了敞水试验。试验结果与应用程序计算的螺旋桨性能预报结果,一起列于下表。上表中,J,KT,KQ分别为螺旋桨的进速系数,推力系数和扭矩系数;脚标t和c分别指试验结果和计算结果。由上表可见,在整个进速系数范围内,计算得到的推力系数值与对应的试验推力系数值相差在5%以下,扭矩系数值相差6%以下;在设计工况对应的进速系数附近(J=0.50-0.60),推力系数相差在3%以下,扭矩系数相差则在2%左右。可以认为,应用程序预报螺旋桨性能满足工程要求。具体比较见图8。4.3.3桨叶的空泡表象和脉动压力用缩尺比λ=19.79、直径为240mm的桨模在空泡水筒中进行了空泡试验,得到了在船舶满载和压载条件下,不均匀模拟尾流场中,螺旋桨叶片上的空泡图象和螺旋桨诱导的脉动压力测量结果,空泡图象见图9和图10。由图可见,桨叶叶片上出现空泡对应的桨盘上的角度范围