抵抗失速及降噪仿生螺旋桨的理论及实验研究

With the arising demand of hydrodynamic performance to propeller in modern ships, it has been stuck to the improvement of traditional propeller and more and more urgent to the design research of new type of propeller. Based on bionics principle, the project put forward a new type of biomimetic propeller, where the innovation points lie that several protuberances are added to the leading edge of propeller based on the bionics principle of humpback whale and jagged blade tip was designed out based on the principle of low noise of owl’s wings. The project has done deep theoretical and experimental research into the hydrodynamic performance of propeller. On the aspect of theoretical research, it employs large eddy simulation to study the influence to boundary layer on blade surface caused by protuberances and jagged blade tip; On the other aspect of experimental research, it employs the PIV to observe the subtle evaluative law of eddy, making a thorough inquiry into the hydrodynamic performance by protuberance and jagged blade tip. Theoretical forecast and experimental verification are both used to provide theoretical basis for the propeller’s design and optimization.

随着研究设计人员对螺旋桨提供的水动力性能的要求越来越高，传统螺旋桨的改进研究难度也在逐渐加大，新型螺旋桨的设计研究因而变得越来越迫切。本项目拟根据仿生学原理提出一种新型的仿生螺旋桨，该螺旋桨的创新之处在于：一是仿照座头鲸的胸鳍突起在桨叶导边加设突起结节；二是根据夜行猫头鹰翅膀低噪的原理设计出锯齿形叶梢。本项目将对该新型仿生螺旋桨的水动力性能进行深入的理论及实验研究：理论研究方面采用大涡数值模拟技术（LES）研究前缘突起与锯齿形叶梢对桨叶表面边界层的影响，预报新型螺旋桨抵抗失速及降噪的效果；实验研究方面采用拖曳水池随车粒子图像测速技术（PIV）观测边界层内精细涡流时空演化规律，探究前缘突起与锯齿形叶梢对螺旋桨水动力性能的影响机理。本课题意在通过理论预报和实验验证相结合的方法为新型螺旋桨的设计和优化提供指导性依据。

作为船舶最常规的推进装置，人们对不同船舶所使用的螺旋桨提出了不同的要求。传统螺旋桨已经越来越难满足特种船舶的各种复杂工况，研究具有较好的水动力性能、空泡性能以及噪声性能的新型螺旋桨一直以来都是国内外研究者的工作热点。在许多新型螺旋桨的设计过程中，运用到了仿生学的原理，座头鲸、金枪鱼以及猫头鹰等生物的特性为螺旋桨的研究提供了一种新的方向。. 本项目首先以NACA0020为原型翼进行自主研发，开发仿生凹凸翼，通过对座头鲸习性及形态研究确定翼型参数。设计不同展弦比，多种凹凸形式的模型。将翼型进行数值计算和水动力实验，实验采用四分量测力天平记录数据，并分析升力、阻力、力矩结果，对具有优秀水动力特性的鳍利用粒子图像测速仪（PIV）进行流场测量及分析，开展该仿生方法的有效性和相关仿生作用机理的实验研究。对比CFD数值模拟结果，提出进一步优化方案。. 其次本项目依据座头鲸鳍状肢的凹凸前缘结构和猫头鹰翅膀的锯齿结构，设计出一种具有前缘突起且叶梢呈锯齿形的新型仿生螺旋桨，通过CFD计算与敞水试验，论证了一种具有前缘突起且叶梢呈锯齿形的新型仿生螺旋桨的可行性，为机翼、船用舵以及螺旋桨等的设计提供了一种新的思路，也为凹凸结构、锯齿结构在吊舱、自由叶轮等装置上的研究奠定了基础。结合数值仿真及实验技术进行了初步的研究，对敞水特性较好地仿生桨与原型桨的噪声性能进行数值预报。