船舶機(jī)械動(dòng)力螺旋槳的湍流動(dòng)力性能分析

摘 要：傳統(tǒng)船舶機(jī)械動(dòng)力螺旋槳的動(dòng)力性能分析，沒有考慮到動(dòng)力與湍流的密切性，導(dǎo)致分析量化誤差較大問題。針對(duì)以上問題提出船舶機(jī)械動(dòng)力螺旋槳的湍流動(dòng)力性能分析，構(gòu)建分析模型，依托分析模型硬件與軟件的搭建，完成螺旋槳?jiǎng)恿π阅芊治瞿Ｐ偷臉?gòu)建。通過控制方程的運(yùn)用，選取湍流參數(shù)，實(shí)現(xiàn)螺旋槳?jiǎng)恿π阅芊治瞿Ｐ瓦\(yùn)行。通過試驗(yàn)分析表明提出的性能分析方法和傳統(tǒng)的分析方法相比，量化準(zhǔn)確率提升11.35%，能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)用要求值得推廣運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：動(dòng)力性能；機(jī)械動(dòng)力螺旋槳；模型平臺(tái)；性能分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.040

0 引言

傳統(tǒng)的船舶機(jī)械動(dòng)力性能分析可以在特定環(huán)境下進(jìn)行靜態(tài)模擬，并且針對(duì)螺旋槳的動(dòng)力性能進(jìn)行分析。但是在特定環(huán)境下沒有考慮到湍流的類型變化與動(dòng)力的密切關(guān)系，導(dǎo)致分析量化誤差較大問題。

1 構(gòu)建螺旋槳?jiǎng)恿π阅芊治瞿Ｐ?/p>

螺旋槳?jiǎng)恿π阅芊治瞿Ｐ偷臉?gòu)建，主要由硬件和軟件系統(tǒng)相結(jié)合，其中硬件的搭建，其主要目的是給予在多種類湍流中螺旋槳?jiǎng)恿?shù)據(jù)獲取的保證。

（1）螺旋槳?jiǎng)恿π阅芊治瞿Ｐ陀布Y(jié)構(gòu)。螺旋槳?jiǎng)恿π阅芊治瞿Ｐ陀布Y(jié)構(gòu)搭建，主要由以下部分組成，螺旋槳?jiǎng)恿?shù)據(jù)載入；湍流類型數(shù)據(jù)預(yù)處理；綜合數(shù)據(jù)分析；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及顯示。

螺旋槳?jiǎng)恿?shù)據(jù)載入是指，把機(jī)械動(dòng)力螺旋槳的運(yùn)行參數(shù)，和在特定環(huán)境下的數(shù)據(jù)反饋在計(jì)算機(jī)中輸入，為綜合數(shù)據(jù)分析處理做基礎(chǔ)。而螺旋槳?jiǎng)恿?shù)據(jù)載入也有兩種數(shù)據(jù)區(qū)分，第一種及時(shí)性數(shù)據(jù)載入，該數(shù)據(jù)可以直接反應(yīng)螺旋槳工作時(shí)的狀態(tài)，第二種非及時(shí)性數(shù)據(jù)載入，該數(shù)據(jù)是螺旋槳工作結(jié)束的工作狀態(tài)總數(shù)據(jù)。

（2）螺旋槳?jiǎng)恿π阅芊治瞿Ｐ蛙浖Y(jié)構(gòu)。螺旋槳?jiǎng)恿π阅芊治瞿Ｐ蛙浖到y(tǒng)的搭建，除了依托滑格網(wǎng)絡(luò)模型，還需要參考系旋轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)模型（MRF）。同時(shí)滑格網(wǎng)絡(luò)模型的虛擬計(jì)算通過系旋轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)模型（MRF）時(shí)，螺旋槳數(shù)據(jù)在數(shù)據(jù)流中的網(wǎng)格暴增，這時(shí)軟件計(jì)算壓力變大，但系旋轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)模型可以用不同的處理速度完成數(shù)據(jù)處理顯示?？梢哉f滑格網(wǎng)絡(luò)模型和系旋轉(zhuǎn)網(wǎng)絡(luò)模型二者相輔相成，缺一不可，依托二者可以會(huì)更好的搭建螺旋槳?jiǎng)恿π阅芊治瞿Ｐ蛙浖到y(tǒng)，完成數(shù)據(jù)的處理和顯示。

2 實(shí)現(xiàn)螺旋槳湍流動(dòng)力性能的分析

（1）湍流參數(shù)的確定。針對(duì)當(dāng)前的湍流研究發(fā)展來看，湍流的內(nèi)在機(jī)理變化還沒有得到人們重視，所以導(dǎo)致人們對(duì)其理解較差，還沒有找到一種可靠的解決湍流參數(shù)選取的最佳方法。

并且就目前來說，螺旋槳的湍流動(dòng)力性數(shù)值計(jì)算方面可依靠方法很少。針對(duì)這些問題，我們選擇理論相對(duì)完善的且廣為使用的RNGk-ε二成方程湍流參數(shù)來封閉RANS方程。

把重整化群（RNG）方法引用到湍流分析中，建立一個(gè)全新的湍流參數(shù)其方程如下：

式中：為速度分量時(shí)均值（=1，2，3）；為水壓力時(shí)均值；為湍流流體密度；湍流流體積，為湍流流濃度；為重力加速度分量。

通過以上方程計(jì)算可以完成為控制方程的運(yùn)用打下基礎(chǔ)，更好的實(shí)現(xiàn)湍流參數(shù)的選取。

（2）控制方程的載入。實(shí)現(xiàn)螺旋槳?jiǎng)恿π阅芊治瞿Ｐ瓦\(yùn)行首先我們要運(yùn)用控制方程進(jìn)行計(jì)算，假設(shè)湍流是不可壓的，則流場(chǎng)的連續(xù)方程和動(dòng)量方程分別為：

式中：為速度分量時(shí)均值（=1，2，3）；為水壓力時(shí)均值；為湍流流體密度；gi為重力加速度分量。

3 實(shí)驗(yàn)分析

為了保證本文提出的船舶機(jī)械動(dòng)力螺旋槳的湍流動(dòng)力性能分析的有效性，進(jìn)行仿真試驗(yàn)分析。試驗(yàn)過程中，以不同的船舶機(jī)械動(dòng)力螺旋槳的動(dòng)力性能作為試驗(yàn)對(duì)象，進(jìn)行動(dòng)力性能量化準(zhǔn)確率仿真試驗(yàn)。

（1）數(shù)據(jù)準(zhǔn)備。為了螺旋槳?jiǎng)恿π阅芰炕瘻?zhǔn)確率仿真試驗(yàn)過程的準(zhǔn)確性，對(duì)測(cè)試的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。其試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)置結(jié)果如表1所示。

（2）試驗(yàn)結(jié)果分析。試驗(yàn)過程中，利用機(jī)械動(dòng)力螺旋槳湍流動(dòng)力性能分析方法，試驗(yàn)環(huán)境中進(jìn)行工作，分析動(dòng)力性能量化準(zhǔn)確率的變化。得出試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比曲線如圖1所示。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果曲線圖顯示，針對(duì)兩種螺旋槳?jiǎng)恿π阅芰炕瘻?zhǔn)確率進(jìn)行算術(shù)平均值處理，得出提出的船舶機(jī)械動(dòng)力螺旋槳的湍流動(dòng)力性能分析，比傳統(tǒng)的船舶機(jī)械動(dòng)力螺旋槳的動(dòng)力性能分析，量化準(zhǔn)確率提升11.35%，適合實(shí)際工作需求。

4 總結(jié)

本文針對(duì)傳統(tǒng)船舶機(jī)械動(dòng)力螺旋槳的動(dòng)力性能分析，無法滿足實(shí)際工作需要，提出船舶機(jī)械動(dòng)力螺旋槳的湍流動(dòng)力性能分析，基于分析模型的構(gòu)建，已經(jīng)模型的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了力學(xué)性能的分析，完成了本文的研究，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，其數(shù)據(jù)分析量化誤差很小，適合實(shí)際的工作需求，值得推廣運(yùn)用。

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作者簡(jiǎn)介：劉波（1973-），男，湖北武漢人，碩士研究生，中級(jí)講師，研究方向：船舶輪機(jī)工程。