级阮华开题报告阮华.docx

级阮华开题报告阮华.docx

《级阮华开题报告阮华.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《级阮华开题报告阮华.docx（8页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

级阮华开题报告阮华

中国舰船研究院

博

士学位论文开题报告

硕

研究生姓名：

阮华

专业：

流体力学

导师：

张志荣研究员

辛公正高级工程师

培养单位：

中国船舶科学研究中心

2014年1月10日填报

说明

一、研究生必须通过学位课程考试，并取得不少于《培养方案》所规定的学分后才可提交本报告。

二、本报告由研究生在导师指导下于第三学期内填好，经导师审签后交研究生管理部门。

三、研究生以提交本报告的日期作为论文开始的日期。

四、开题报告参考提纲：

论文拟题名称；

1）论文选题的目的和意义；

2）国内外相关研究动态及论文立题论证（含文献综述与分析）；

3）研究（实验）方案设想；

4）论文预期结果；

5）论文研究进展计划（工作量，预计完成时间）。

导管推进器梢隙流动数值模拟研究

一、选题的目的及意义

导管推进器通常是由环状导管、转子和定子组成的组合装置，转子在导管内旋转运动，转子叶梢与环状导管内壁之间有一定的间隙以避免摩擦碰撞。

转子旋转时，在叶梢与导管内壁之间的相对运动以及转子叶梢两侧的压差作用下，压力面侧流体穿过间隙到桨叶吸力面侧，穿过间隙的泄漏流与叶间通道流相互作用，形成涡片并卷起形成漩涡，通常称之为梢隙涡，这种流动称为梢隙流动，梢隙流动主要以涡的形式运动。

梢隙流动广泛存在于流体旋转机械中，对旋转机械的性能与安全有重要影响。

在船舶推进领域，导管推进器以其优越的高效性、低噪声性能正日益得到世界各国船舶界的广泛采用，而梢隙流动不仅会造成推进器能量损失、效率下降，其中梢隙涡还会引发涡空泡，噪声显著增加。

对导管桨敞水性能研究发现，梢隙流动改变了导管和桨叶叶梢的环量，改变导管推力和桨推力，通常而言，梢隙增加，导管桨推力会下降。

目前已被美国等海军潜艇和鱼雷采用的泵喷推进器，高效性和低噪声性能是其显著特征，是设计中必须要保证的性能指标，研究发现梢隙流动不仅使泵喷推进器推进效率有所降低，产生激振力，同时形成的大强度不稳定梢隙涡极易引发涡空泡，发生空泡时潜艇的噪声显著增加，将容易被敌潜声呐装置侦测到，处于危险被动地位。

此外，实验研究发现间隙较大时梢隙涡空化起始通常先于桨叶表面空泡发生，也决定了舰船的空泡起始航速。

综上所知，梢隙流动对导管推进器的性能有重要影响，由于导管推进器的研究尤其是泵喷推进器的研究具有强烈的军事背景，目前公开的研究资料并不多见，加上梢隙流动的复杂性，到目前为止还未完全认识梢隙流动，还有很多的问题亟待解决，尤其是与梢隙涡空化相关的问题。

因此开展对导管推进器梢隙流动的研究，深入认识梢隙流动的产生机理以及梢隙涡发展变化过程中结构、强度及涡心压力的变化规律，对于控制梢隙流动，提高推进器效率；推迟或抑制梢隙涡空化起始，降低噪声和提高空泡起始航速具有重要意义。

二、国内外本课题研究动态和论文立题的论证

鉴于梢隙流动的复杂性及其军事意义，对导管推进器梢隙流动的研究大多集中在技术领先欧美国家，且公开发表的资料很少，国外已对梢隙流动开展了广泛的实验和数值研究，并取得了很多成果。

而目前国内在这方面开展的研究相对比较少，还处于基础研究阶段，对于指导工程实际应用还有很长的路要走。

对桨梢隙流动的研究主要是分为实验研究和数值研究两方面。

实验研究方面：

国外对梢隙流动的研究起步早，1954年Rains通过空泡显示梢隙流动，研究了间隙大小0.2-5.2%弦长以及不同流量系数的轴流泵的叶顶区域流场，空泡图片清晰的显示梢隙涡的涡核在靠近导边位置处形成，向下游流动穿过叶间通道。

1980至1990年期间Lakshminarayana及其同事对轴流式压气机转子梢隙流动进行了一系列的实验，发现梢隙流动形成的梢隙涡，呈现了很强的非定常特性，同时发现桨叶压差力对梢隙流动的有重要影响。

Inoue等对下游带定子且转子负载较高压气机转子梢隙流动研究结果发现梢隙涡湍流强度大。

Farrell和Billet在1994年试验研究高雷诺数下不同间隙大小和不同流量系数轴流泵梢隙涡空泡起始问题。

实验发现梢隙涡空泡起始数在间隙比

附近时最小，其中

间隙大小，

是叶梢剖面最大厚度，建立了梢隙涡空化起始与桨叶几何参数和雷诺数之间的简化关系式，为水泵设计提供指导。

Shridhar等（2002）试验研究了梢隙涡空泡噪声特性，发现只有当空泡被大幅扭曲以及破碎时空泡噪声强度幅值会出现峰值，而空泡的形状和大小变化对空泡噪声的影响很弱。

Muthanna与Devenport研究了不同间隙大小压气机叶栅梢隙涡的结构和梢隙涡在下游的运动轨迹。

试验表明间隙对梢隙涡的位置、大小和旋转强度有很强的影响。

GhanemOweis等（2001-2005）在空泡水筒中对导管螺旋桨梢隙区域流场进行了LDV和PIV测量，对速度场的分析揭示梢部区域漩涡的复杂相互作用和非定常特性，分析梢隙涡涡空化初始特征，但未能建立空化初始与流场变量之间的关系；同时研究了瞬时流场和时均流场之间的梢部流动区域涡流场性质的差异；RinaldoL.Miorini等（2008-2011）利用高精度平面PIV对喷水泵转子梢隙流动发展过程进行一系列研究，2008年对喷水泵转子叶梢区域空化进行了实验研究，观测到了梢隙涡空化一系列过程；2009年研究了轴流泵瞬时和时均流场中梢隙涡的内部结构和湍流发展过程，通过瞬时流场涡量和应变率测量深入研究梢隙涡的起始、发展、脱落过程；2010年进一步研究了轴流泵梢隙涡的内部结构；2011年测量了喷水泵叶间子午面内的梢隙涡的结构和湍流特征；同年使用三维PIV测量梢隙涡的三维涡结构和湍动能；DavidTan（2014）等对喷水泵转子梢隙涡空泡与压力面随边区域片空泡高速摄影，揭示了两者之间的复杂相互作用过程，并解释了空泡如何影响喷水泵转子性能。

在国内吴克启等（1994）使用单倾斜热线系统对斜流式风机叶轮的间隙流动特性进行了实验研究，得出间隙泄漏流动对叶轮性能和出口流场结构有决定性影响。

董郑庆、陆林章等（2006）使用LDV测量导管螺旋桨的内流场。

并为导管内螺旋桨叶片的环量分布分析提供了条件。

张军、张志荣等（2007）利用PIV测量导管螺旋桨的内流场和近场尾流，实验获得了转子梢涡、毂部涡、螺旋桨上下表面脱落的旋向相反的尾涡，以及近导管内壁、桨榖壁面涡层等流动特征。

李广年、郭欣等（2010）对利用PIV系统，测量了一个机翼模型沿展向8个剖面的速度场，进而计算速度环量及其沿展向分布。

通过不同剖面的测量结果，探讨了叶端间隙流动的特性。

数值研究方面：

Hsiao、chahine、Jessup、Chesnakas等学者采用RANS方法对梢隙流动进行了广泛的数值模拟模拟研究，并引入空泡模型、声学模型对涡涡之间相互作用引发的空泡和噪声模拟，取得了一定的成果。

近期RolandMatzgeller等（2010）对压缩机梢隙流动结构进行数值模拟研究。

采用RANS数值方法，将相应区域计算结果与实验所测数据对比，对数值方法进行了验证。

A.Cahuzace等（2011）采用大涡模拟（LES）方法，结合高质量网格数值模拟转子区域梢隙流动，与实验结果对比分析到了较为准确的梢隙流场结构；K.Kusano、J.H.Jeong等（2011）采用基于k-ω两方程湍流模型分离涡模拟方法（DES）模拟半导管叶扇的流场，用LDV实验测量结果进行验证,这种方法能在可接受的花费下得到分离流动和涡流场的非定常特性。

StevenMazur等（2013）采用RANS和URANS方法研究涡轮梢隙流动损失机理，从环量控制角度设计不同转子形状进行数值模拟，寻求减小梢隙涡强度、减小损失设计方案。

国内方面，李巍、王国强（2000）的研究发现叶顶泄漏涡在叶片压力面和吸力面之间有转移，并且随间隙减小泄漏涡产生过程延迟，强度衰减的速度增大。

杨昌明、陈次昌等（2003）利用数值方法模拟不同叶顶间隙条件下轴流泵的性能曲线。

发现间隙增加，扬程下降，特别越是在小流量情况下扬程下降越明显。

吴艳辉、楚武利等（2005）以轴流压气机孤立转子实验台为研究对象，数值研究了间隙大小的变化对该实验台间隙流动的影响，结果表明间隙的大小对动叶顶部区域的流动特性，包括间隙流动的发展形式、泄漏涡强度、间隙流动造成的损失分布等产生很大的影响。

刘登成、张志荣等（2008）对梢隙流动计算网格建立了一种生成梢隙结构化网格的方法，并用RANS求解器，采用混合面方法，结合SSTk-ω湍流模型，得到了梢隙流动的一些基本结构，并研究比较不同网格结构模拟梢隙流动差异。

戴辰辰（2009）轴流泵在8个工况及6个不同间隙（包括0mm间隙）下进行全流道定常计算，发现叶顶间隙值的变化对轴流泵性能及梢隙流动有重要影响

综合国内外研究现状发现，对梢隙流动的实验和数值研究取得了许多重要的进展，但大部分主要是对气体、蒸汽或燃气的涡轮机或者压缩机（泵）梢隙流动的研究，而对导管推进器的梢隙流动研究相对较少，而且大部分研究主要从宏观角度研究梢隙流动对推进器性能的影响，并未深入研究转子梢隙区域的流动细节，比如梢隙涡形成、发展过程中涡结构形态、大小、强度变化等，对涡核中心压力变化规律的缺乏认识，未能预报梢隙涡空化起始及位置。

另一方面，对于影响梢隙流动的因素研究较为单一，主要集中在间隙大小对于梢隙流动的影响。

而对桨叶形状、载荷变化、叶梢厚度等影响因素研究较少，对流场变化剧烈的梢隙流动数值模拟还不成熟，数值模拟结果与试验比较还有一定的差别，对梢隙流动数值模拟研究还不够成熟。

因此，开展相关研究十分必要。

由于试验测量梢隙区域流场以及叶间通道内的梢隙涡的非常困难，实验难度大成本高、研究参数少。

而数值模拟相比于试验研究成本低，可重复性高，能够获得试验中无法观测到的很多流场信息，鉴于此，本文将采用CFD方法对导管推进器的梢隙流动进行深入地数值模拟研究。

本论文的工作将为未来导管桨和泵喷推进器的设计优化提供指导，潜艇和舰船空泡噪声性能的提升打下坚实的基础。

三：

研究方案的设想

本论文的目标是通过采用CFD方法对导管推进器梢隙流动的数值模拟研究，建立梢隙流动精细流场结构的有效数值模拟方法，并对影响梢隙流动桨叶参数和流场参数进行研究，以获取各个参数变化对梢隙流动的影响规律，通过对流场结构及变量的分析，总结各参数对梢隙流动影响规律，形成一些有效控制梢隙涡的指导意见，为导管螺旋桨、泵喷推进器的优化设计提供指导。

研究工作将以Fluent软件为平台，对导管推进器建模，划分网格，对不同参数下导管推进器梢隙流动进行数值计算分析。

论文拟根据以下途径展开工作：

（1）熟练掌握UG、ICEMCFD、FLUENT以及CFD后处理软件的使用，对导管推进器模型尤其在梢隙区域建立高质量网格的划分方法。

（2）基于RANS方法，通过考察网格类型及分布、湍流模型等，初步建立梢隙流动的有效数值模拟方法。

（3）采用已经建立的数值模拟方法对影响梢隙流动的参数进行研究，获得各参数对梢隙流动的影响规律。

（4）对研究结果进行总结分析，得到一些有效控制梢隙涡的指导措施，为导管桨、泵喷推进器的优化设计提供指导。

论文的总体框图如下所示：

图1论文总体框图

四、论文预期结果

通过对计算域划分方式、交界面的选取、网格数量、网格类型以及三种湍流模型进行了详细的计算分析，经过试验初步验证，建立了基于RANS方法的梢隙流动数值模拟方法。

对叶梢几何及流场参数变化的计算分析获得各参数对梢隙流动的影响规律，总结得到能抑制梢隙流动的措施。

五、论文的工作量，预计完成时间

（1）2013.08——2013.01阅读文献，完成文献综述和开题报告；

（2）2014.02——2014.05熟练掌握相关软件，对普通螺旋桨水动力进行数值计

算及并对CFD计算结果的处理分析；

（3）2014.06——2014.09对导管推进器梢隙流动进行数值模拟并验证有效性，

初步建立梢隙流动数值模拟方法；

（4）2014.10——2014.12对影响导管推进器梢隙流动因素进行计算分析；

（5）2015.01——2015.02完成论文撰写。

导师审查意见：

本论文以导管推进器梢隙流动为研究对象，发展相应的数值方法并对影响梢隙流动的因素进行探索研究，为控制梢隙涡空化奠定了基础，具有重要的科学意义和工程应用价值。

以上工作既有理论上的探索，也有工程实用价值，满足硕士学位论文工作的要求，同意开题。

导师（签名）：

2014年1月10日

开题报告会的主要评议记录：

（时间、地点、主要发言人的观点）

2014年1月10号在所办大楼第三会议室召开2012级硕士研究生开题报告汇报会。

论文汇报后各位专家对论文的研究和方向提出了宝贵的意见：

张军老师认为本论文内容及工作量大，难度比较大，要稳步踏实渐进，抓紧时间完成；张楠老师对模拟导管桨梢隙流动提出了采用LES大涡模拟弃用DES分离涡模拟的方法，并解释了原因，DES适合于在工程上以较低的计算成本解决工程问题但是不能很好捕捉到较好的精细流场，研究角度上LES虽然计算费时费力但计算的结果更能模拟实际流场，尤其是梢隙流动这种小尺度涡旋流动；张志荣导师针对论文的立题背景做了详细的说明，基于之前对梢隙流动的研究基础，结合研究所里课题，进一步将工作做得更好，对梢隙流动能够较为准确的预报并能采取有效的方法控制梢隙流动；惠昌年老专家针对本论文提出了有用的建议。

学位分委员会对选题的意见：

主席（签章）：

年月日