船舶螺旋桨设计

船舶螺旋桨设计方法

图谱设计方法

所谓图谱设计是根据螺旋桨敞水模型试验的结果绘制成的几何参数与性能相关的各类专用图谱进行设计的方法。按照图谱法设计螺旋桨实际上是根据已知条件在图谱所提供的螺旋桨资料范围内选择最适宜的方案。该方法具有计算简单，结果可靠的优点，对于一些典型的船舶螺旋桨设计可较为准确和迅速地获得理想的方案，曾对螺旋桨的设计起过重要作用，直至今天，对常规船而言，该方法仍不失为一种简单可靠的方法。然而，图谱设计方法存在很多缺点，该方法需通过大量的试验绘制图谱，需耗费大量的人力、物力和财力，而且这种方法的灵活性不够，因为毕竟模型试验是有限的，不可能包括所有船型的螺旋桨。同时该方法仅对伴流比较均匀的常规船型比较合适，不能解决振动和空泡等问题。

理论设计方法

所谓理论设计是根据环流理论以及各种桨叶切面的试验或理论数据进行螺旋桨设计的方法。螺旋桨诱导的船体振动、螺旋桨噪声、螺旋桨空泡和效率等问题一直是人们普遍关注的问题。因此，为了不同的使用目的，各种不同桨叶形状和桨叶剖面形状的螺旋桨广泛应用于实船。例如，为了减少船尾振动而采用大侧斜螺旋桨，为了提高螺旋桨效率而采用理论方法设计最佳螺旋桨等。近几年来，民用高速船不断地投入使用，高速船螺旋桨的设计必须兼顾效率、空泡、振动、剥蚀等多种性能要求，常规的螺旋桨图谱设计方法已无法兼顾这些性能要求，因而理论方法设计螺旋桨逐步成为高速船螺旋桨设计的主流。此外，随着电子计算机技术的发展，理论设计的性能价格比不断提高，同时CNC机床技术也逐渐成熟，使得制约螺旋桨理论设计和机械加工问题得到解决。理论方法设计的螺旋桨，进而预报螺旋桨的水动力性能得到了迅速的发展。理论方法设计的螺旋桨，其水动力性能可以通过理论方法来进行预报。因此，开发可靠的螺旋桨性能理论预报的数值计算方法是必不可少的。螺旋桨性能的计算模型主要有升力线理论、升力面理论、和面元法。

升力线理论：最早的升力线理论是应用 Goldstein 因子及正交条件进行处理，该方法仅在特殊条件下成立，在一般情况下，只能将其当作是工程上的近似方法。Lerbs 于 1952 年提出的诱导因子法，从理论上解决了升力线理论求解螺旋桨性能计算问题和任意环量分布下的设计问题，并且适用于轴对称伴流场中求解螺旋桨的正逆问题。1968 年 Morgan 等按规定的螺旋桨系列几何形式和环量分布形式，计算了该系列螺旋桨的升力面修正因子。但是，螺旋桨叶叶片是一个扭曲的小展弦比机翼，在升力线理论中把桨叶负荷集中在一根升力线上，没有考虑弦向影响。只是在考虑了诱导速度后借用二维翼剖面特性来处理问题，不是从满足物面边界条件出发，因此算出的螺旋桨总推力、转矩和效率是正确的，而叶片的几何形状却是近似的，特别是桨叶越宽误差就越大。为此用升力面修正的方法对拱度及攻角进行修正。

升力面理论：美国 MIT 的 Kerwin 对基于机翼理论中的 Falker 思想的离散化涡格法做了进一步发展，其方法考虑了桨叶厚度影响，使之适用于有纵斜和大侧斜变螺距的螺旋桨，并加入桨叶厚度的影响。该方法用升力线理论结果，避免了求诱导速度计算中无限积分而大大减少了工作量，而且，附着涡的分布形式可任意选择，并可求出整个拱弧线的形状和攻角，但对有纵斜和大侧斜变螺距的螺旋桨方面有所不足，同时还没有考虑到厚度的影响。升力面理论计算螺旋桨的敞水特性已有较好的精度，然而升力面理论主要基于薄翼理论，不能精确地描述螺旋桨的几何形状以至于不能正确地预报桨叶压力分布，在预报桨叶上的空泡性能方面，其计算精度也不能令人满意。

面元法：面元法与升力面理论相比，其优点在于能更精确地描述复杂的螺旋桨几何形状，能够克服升力线和升力面的不足，对复杂的翼身结构作了更为精确的离散化处理，计算精度大大提高。同时，消除了升力面理论中薄翼假定带来的导边奇性，能更精确地预估导边附近和剖面较厚处的压力分布，并能计及桨毅的存在及桨毅对螺旋桨性能和桨叶压力分布的影响，这也是升力面理论所难以解决的。因此面元法为设计形状复杂的螺旋桨提供了可靠的理论基础和计算手段。面元法在理论上较升力面理论更加完善，能够很好的处理桨毅、导管及桨叶上的空泡的影响，因而使用范围更加广泛。面元法已日益成为船用螺旋桨理论分析的一个非常有效的工具，是近些年造船界普遍关注的一个研究方向。

CFD 数值模拟方法

作为流体力学分支的计算流体动力学，主要通过计算机模拟的形式获取一定工作条件下的流体相关信息。该方法能够提供一个模拟实际工况的操作平台，因而在航空、船舶、流体机械等领域能够发挥非常出色的效果。

与势流方法相比，基于粘流理论的 CFD 方法具有如下特点：流动控制方程本身包含了流体粘性作用，考虑了流动的旋涡影响以及旋涡在流动中的传输；由于考虑了粘性作用，该方法可用于研究并最终解决模型桨与实桨之间的尺度效应问题；该方法是在全流场区域进行求解，不需要像升力面理论和面元法那样假定螺旋桨尾涡形状，然后把尾涡区划出流场之外。

应用数值方法对 CFD 模型进行求解的基本思路如下：用有限数量的离散点替代在空间与时间坐标系中连续的―场‖，应用特定规则建立反映这些离散点上的变量值关系的离散方程，然后求解方程得到变量的近似解。过去几十年内发展出许多种不同的数值解法，其中应用较多的有有限差分法、有限体积法、有限元法等。雷诺平均 Navier-Stokes 方程（RANS 方程）是粘性流体运动学和动力学的普适性方程，雷诺平均就是把 Navier-Stokes 方程中的瞬时变量分解为平均量和脉动量两部分。