摘要：尖端涡流空化（TVC）是螺旋桨领域一个越来越受关注的问题，因为TVC在螺旋桨辐射噪声和空化侵蚀中起着重要作用。本文研究了带有小翼的船用螺旋桨，它受到翼型小翼的启发。新设计的螺旋桨叶片尖端朝向压力侧倾斜，分析了压力系数，TVC，轴向速度场和螺旋度。数值结果表明，新设计的螺旋桨小翼几乎不影响螺旋桨的效率。随着前角的增加，推力系数逐渐减小。当前角小时，小翼有利于产生较少的空化行为。然而，随着前角进一步增大，小翼螺旋桨的空化行为也增加，甚至大于传统的螺旋桨。因此，可以推断出小翼可以在一定程度上有效地改善TVC特性。
1绪论
船用螺旋桨的空化有许多不同的形式。气蚀的形式主要取决于船舶螺旋桨的运行条件和设计。此外，对推进效率的需求导致在螺旋桨上接受适度形式的空化。其中一个解决方案是沿旋转方向扫回前缘。TVC通常是大多数情况下出现的第一种空化形式[3]。 TVC是一个越来越受关注的问题。主要原因是TVC在螺旋桨辐射噪声和空蚀中起着重要作用。因此，如何克服或抑制TVC是一个非常有意义的话题。一方面，许多研究人员用不同的方法研究了船用螺旋桨的尖端涡流。有研究人员进行了实验和模拟，以研究尖端涡流棚的螺旋桨-舵相互作用机制。分析了舵干扰下螺旋桨叶尖涡结构的演变过程。为了研究螺旋桨尾流中的尾流结构和湍流动力学，采用DES湍流模型来捕捉尖端涡旋的演化，使用声学模型，在空化条件下的总声压级高于非空化条件，揭示了在非空化条件下声压级下降的趋势比在空化条件下更明显，这表明空化噪声衰减的速度比非空化噪声慢。 TVC是在实验过程中从可听声音中探索出来的。另外，通过使用高速视频图像观察腔直径可以发现主导声频随着空化数的增加而逐渐减小。
2螺旋桨小翼功能
螺旋桨的小翼已经在实践中广泛使用并商业化。空中客车公司生产A380plus，其中新设计的翼梢小翼可节省4％的燃油，提高空气动力学性能并减少阻力。小翼的作用总是减少诱导阻力。有文献通过SST k-ω湍流模型研究了翼型的三维流动和尖端涡旋结构。涡度大小的轮廓表明，与基线翼相比，每个尖端产生它们各自的涡旋，其涡旋涡度大小要低得多。发现小翼在较低的翼型纵横比下更有效，并且在中等翼型纵横比为10时提供了空气动力学效率的最大改进。在最佳TSR下，三角尖涡轮机的功率系数增加了4.34％，推力系数增加了3.97％。尖端涡旋强度降低，采用小翼增加能量转换效率。在0.95跨度部分，很明显吸入侧的压力系数变化。然而，在0.95跨度截面上，梯形尖端涡轮机的压力侧的压力系数几乎与传统涡轮机的压力系数相同。
3不同螺旋桨小翼数值分析
常规螺旋桨在目前的研究中，选择普通螺旋桨，改进的AU型（MAU）系列作为参考。船用螺旋桨有五个叶片。 螺旋桨直径为0.25 m，翼梢螺旋桨在小翼螺旋桨的设计中，主要几何参数与传统螺旋桨相同。小翼螺旋桨的直径仍为0.25米。传统螺旋桨和小翼螺旋桨之间的区别在于新设计的螺旋桨的叶片尖端朝向压力侧倾斜。也就是说，螺旋桨的叶尖朝向Z轴的负方向倾斜。在该研究中，小翼的倾斜径向位置从r / R = 0.95开始。五个小翼螺旋桨之间的差异是前角在r / R = 1.0时的变化。下面提到的前角是r / R = 1.0。
采用雷诺平均Navier-Stokes（RANS）解算法。隐式非定常模型用于流场模拟。测试了模拟时间步长值对空化体积的影响。对传统螺旋桨的情况进行灵敏度分析。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆将由蒸汽体积与螺旋桨直径的立方体的比率表示的无量纲空化体积作为时间步长的函数进行比较。相对于0.0001s的情况，时间步长的减小导致空化体积的小变化，并且可以认为变化是可接受的。因此，在本研究中，模拟时间步长被指定为0.0001s。流体体积（VOF）模型用于两相流。 VOF-VOF相位相互作用模型控制两个VOF相之间的相互作用。多相混合物模型用于模拟气体或液体状态的两种或更多种纯物质的不混溶混合物。
网格特征网格是计算流体动力学中非常重要的一部分。网格质量越好，它可以提供更精确的解决方案。为了提高预测的准确性而不增加数值模糊的风险，在叶片前缘和叶片尖端上施加网格局部细化，通过体积控制的方法实现网格局部细化。 圆柱形控制体积的半径为0.12％D。
MAU螺旋桨的开放水特性在船舶推进部实验舱中进行了测试。为了使我们的数值（CFD）和它们的测量结果（测试）之间的差异更加明显。在推进系数J = 1.0时，推力系数和扭矩系数的预测与测量结果大不相同，偏差约为15％。效率的数值预测接近于整个功能点范围内的实验值，偏差小于3％。我们的数值与它们的测量结果之间的差异很小。此外，数值研究的扭矩系数和推力系数略低于J = 0.9和1.0时的实验结果。数值研究的效率与实验测试的效率一致。一般来说，数值结果与实验结果基本一致，因此数值方法适用于研究螺旋桨。
通过压力系数的分析研究螺旋桨叶片上的压力分布。因此，当提前系数分别为0.8和0.7时，研究r / R = 0.95时的压力系数，从压力系数图可以看出，对于前缘的压力侧，所有小翼螺旋桨的压力系数都大于传统螺旋桨的压力系数。总的来说，对于吸入侧，小翼螺旋桨的压力系数略高于传统的螺旋桨。进行另外的研究以分析叶尖附近的压力系数。至于压力侧，r / R = 0.97时的压力系数状态与r / R = 0.95相似。但是，对于吸入侧，通过采用r / R = 0.97的小翼，小翼B螺旋桨的压力系数明显提高。因此，压力侧和吸入侧之间的压力差在r / R = 0.97时显着降低到一定程度。
TVC流体倾向于从高压侧移动到低压侧。由于压力侧和吸力侧之间的压力差形成尖端涡流。如果尖端涡旋的核心中的绝对压力小于蒸汽压力，则将产生TVC。可以清楚地观察到蒸汽体积分数的等表面10％发生在前缘和尖端附近。传统螺旋桨。然而，在小的倾斜距离的情况下，蒸汽体积分数10％的等表面仅发生在前缘上，并且可以通过小翼螺旋桨尖端附近的小翼来抑制或避免它。也就是说，在小前角的情况下，小翼有助于减少TVC。此外，螺旋桨“小翼A”相对于传统螺旋桨实现了大约69％的空化体积的显着减少。但是，如果小翼的倾斜距离太长，则会导致涡流空化增加。这主要是因为在大前角下，前缘附近的吸力侧的压力系数，特别是小翼E螺旋桨，比传统螺旋桨的压力系数低，从而涡流由于小翼的存在，空化变得更加严重。
4总结
在本文中，小翼螺旋桨的性能通过VOF RANS方法进行，然后与传统螺旋桨进行比较。在某种程度上，通过采用小翼，在叶尖附近压力侧和吸力侧之间的压力差显着减小。因此，小翼螺旋桨的吸力侧的压降小于传统的螺旋桨。小翼螺旋桨的设计提供了一种新的可选方法来设计船用螺旋桨。
参考文献：
[1]P. Pennings, J. Westerweel, T. van Terwisga, Cavitation tunnel analysis of radiated sound from the resonance of a propeller tip vortex cavity, Int. J. Multiph. Flow. 83 (2016) 1–11.
[2]M. Maghareh, H. Ghassemi, Propeller efficiency enhancement by the blade’s tip reformation, Am. J. Mech. Eng. 5 (2017) 70–75.
论文作者:石硕
论文发表刊物:《科技新时代》2019年5期
论文发表时间:2019/7/25
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