涡流发生器对船舶螺旋桨水动力空化的影响机理与动力学特性研究

The mechanism and control strategy of propeller cavitation is one of the most advanced topics in ship hydrodynamics. In this project, the scale model of the unity constructed by Vortex Generator (VG), propeller and hull is used to investigate the influence of VG on stern flow control, wake distribution on propeller disk, propeller cavitation and pressure fluctuations, and its dynamic characteristic by means of theoretical analysis, model experimental tests in large cavitation channel and numerical simulation. Research methods such as the vortex dynamic identification, Lagrangian technology for three dimensional cavitating flow, surrogate-based analysis and optimization method are adopted to study the mechanism of VG controlling propeller cavitation. Meanwhile, an optimization design criteria for marine VG will be proposed to provide a theoretical guidance of the application of VG in ship engineering. The research results can provide a technical support for the improvement of green ship and offshore engineering equipment, which have great value both in academic and engineering application.

舰船螺旋桨水动力空化的机理及控制策略是当前船舶水动力学领域研究的前沿课题之一。本课题以涡流发生器、螺旋桨及船体整体缩尺比模型为研究对象，综合采用理论分析、大型循环水槽试验与数值模拟相结合的方法，研究涡流发生器对船艉流动控制、桨盘面伴流分布、桨叶空化形态及压力脉动的影响机理与动力学特性，应用漩涡结构动态识别、三维空化流场拉格朗日分析等技术，基于代理模型的无量纲整体敏感性分析等多种研究手段，开展涡流发生器控制船舶螺旋桨空化流动的机理研究，发展一套船用涡流发生器优化设计准则，为涡流发生器在船舶领域的工程应用提供理论指导。研究成果可为提升我国绿色船舶和海洋工程装备的技术水平提供支撑，具有重要的学术价值和工程应用价值。

螺旋桨空化演变及其诱发的压力脉动导致船体振动是个十分重要的学术问题，对其流动机理及规律的认识和把握并进而提出有效的控制措施对现代高速船舶设计及安全平稳运行具有重要的参考价值，同时也丰富了空化水动力学的理论体系，具有重要的科学意义和广阔的应用前景。本研究重点开展了涡流发生器对螺旋桨空化诱发船尾压力脉动影响的试验研究、船桨空化高精度模拟的准确性研究（V&V研究）、螺旋桨空化流动对船体压力脉动特性影响规律研究、涡流发生器对螺旋桨水动力空化与船体压力脉动的影响规律和抑制机理研究，并在上述试验研究、模拟方法研究和流动机理研究基础上，取得了一系列创新性成果：(1)提出了一种适用于空化模拟研究的DDES V&V方法，实现了船桨及带VG船桨空化的高精度模拟；(2)系统阐述了船后螺旋桨空化的初生、发展、溃灭等过程的演变规律，并揭示了船尾伴流变化对螺旋桨空化演变的影响机理，发现伴流分布情况和变化程度会显著影响桨叶空化演变，伴流峰底宽越小，平均伴流斜率越大，则伴流变化越迅速，桨叶空化变化幅度和溃灭强度增强；(3)揭示了螺旋桨空化对船尾压力脉动高阶和低阶叶频分量的影响规律。空化会使得船尾压力脉动各阶叶频分量均大幅增强，而且不同位置的各阶叶频分量相位角存在聚集现象，造成船尾压力脉动能量叠加；(4)基于大型空化循环水槽试验和高精度模拟结果，提出了可改善船尾伴流的优化涡流发生器，并揭示了其对螺旋桨空化和船尾脉动压力的抑制机理。VG会诱发流向涡结构，并形成正负交替变化的涡量分布区，增大边界层内流速，从而改善船尾伴流形态，抑制螺旋桨空化和船体压力脉动。本研究为涡流发生器控制螺旋桨空化和船体压力脉动提供了理论基础，相关的研究成果已在中国船舶集团第702研究所涡流发生器的优化设计中得到应用，并成功应用到实船，有力推动了我国船舶螺旋桨空化和压力脉动控制技术的研究。