CN112284681B - 一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法，利用网格+附体模型，可较准确且较方便的模拟带船尾节能附体的单桨船舶或带轴支架的双桨船舶的三向伴流，在此伴流场中开展桨模试验更接近实船工况，试验结果更加准确可靠。网格采用多层金属丝编织而成，固定在空泡水筒测试段水流进口附近；附体模型采用3D打印等方法得到，周期短、成本低，且方便安装在空泡水筒试验轴上的桨模紧前方位置。该方法拓展了中型空泡水筒的试验能力，可更加细致的观察桨模前方的节能附体或轴支架等对螺旋桨性能产生的影响。

Description

一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法
技术领域
本发明涉及一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法，尤其涉及在空泡水筒中需要对有附体的船尾外形产生的伴流场进行模拟的方法，属于船舶试验技术领域。
背景技术
空泡水筒是开展螺旋桨模型空泡和脉动压力性能等试验的主要试验设施。中型空泡水筒由于尺度限制，不能把整艘船模置于工作段中进行试验，为了分析船体伴流场对螺旋桨的影响，通常采用金属丝网格来模拟伴流，且只能模拟船体轴向伴流。此种模拟方法简单成熟，一般单桨船采用网格模拟法即能满足技术要求。采用船尾假体可模拟轴向伴流、周向伴流和径向伴流，但设计和加工船尾假体周期长，成本高，在空泡水筒安装船尾假体复杂，且空泡水筒测试段尺寸有限，往往不能安装大尺寸的船尾假体，故工程实践中采用船尾假体模拟伴流的情况较少。
目前出于节能环保需求，不少民用运输船安装了节能导管、整流鳍或整流轴支架等船尾附加水动力节能装置。这些节能附体位于桨前方不远位置，明显改变了桨盘面处的伴流，尤其是轴向伴流和周向伴流，故空泡试验时必须要模拟节能附体引起的流场变化。网格模拟法不能满足有附体的船尾外形的伴流场模拟需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：中型空泡水筒由于尺寸受限，不能把整艘船模置于工作段中进行试验，也无法用通常的网格法模拟带附体的船尾三向伴流场的问题。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在伴流模拟前获得船尾不带附体的轴向伴流场，称为伴流场A，所述伴流场A就是空泡水筒中通过网格模拟希望得到的第一阶段目标伴流，在空泡水筒中通过金属丝网格开展模拟，得到轴向伴流A1，轴向伴流A1和目标伴流场A相差不超过10％；
步骤2、加工附体模型，并在附体模型上预留与空泡水筒试验轴的安装接口；
步骤3、将附体模型安装在空泡水筒试验轴上并固定，调节水筒内来流速度分布，模拟船尾加装附体后的三向伴流场；
步骤4、获取船尾带附体的伴流场B，伴流场B即为空泡水筒中通过金属丝网格和船尾附体模拟法希望得到的最终目标伴流。
优选地，所述步骤1中伴流场A通过水池伴流试验测量得到或通过数值计算方法得到。
优选地，所述步骤1中，在桨模盘面不同径向位置和不同周向位置处测量轴向水流速分布，根据测量结果调整金属丝网格的布置和密度，使得轴向伴流A1和目标伴流A相差不超过10％。
优选地，所述步骤2中根据实桨和桨模的缩尺比，完全按照实船船尾附体外形尺寸加工附体模型。
优选地，所述金属丝网格为三层编织网格丝，固定在空泡水筒测试段水流进口处。
优选地，所述步骤4中带附体的伴流场B包括轴向伴流、周向伴流和径向伴流。
优选地，所述带附体的伴流场B通过水池伴流试验测量得到或通过数值计算方法得到。
优选地，还包括：
步骤3.1、完成步骤1至步骤3后，在空泡水筒中再次测量流速分布，若轴向伴流或周向伴流分布与伴流场B的差异不能满足要求，则对附体模型进行变形设计，使得水筒内来流在通过变形的附体后形成的伴流场更加接近伴流场B；
步骤3.2、加工新的附体模型，重复步骤1至步骤3.1，直至模拟伴流场满足指标要求；
或在步骤2直接加工变形附体模型，达到高精度伴流模拟要求。
优选地，所述步骤3.1中变形设计包括调整附体部件的厚度和空间布置角度。
优选地，所述附体模型采用3D打印等方法得到
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供了一种在中型空泡水筒中对船尾三向伴流进行较高精度模拟的有效方法，适用于带附体的船尾伴流模拟和带轴支架的双桨船舶伴流场的模拟。在尺寸受限的中型空泡水筒中也能模拟有附体的船尾外形产生的三向伴流，从而提高桨模试验结果的准确性和可靠性，拓展了中型空泡水筒的试验能力，可更加细致的观察桨模前方的节能附体或轴支架等对螺旋桨性能产生的影响。
本发明通过采用金属丝网格和附体模型，可有效模拟附加船尾水动力节能附体的船舶的三向伴流场，在此伴流场中开展桨模试验更接近实船工况，试验结果更加可靠。该模拟方法周期短、成本低，为桨模试验提供了更接近实船的来流环境，从而提高了试验结果的可靠性，是尺寸受限的中型空泡水筒拓展试验能力的有效途径。
附图说明
图1为本发明空泡水筒中伴流模拟体的布置示意图；
图2为金属丝网格示意图；
图3为一型船尾附体(导管节能附体)示意图；
图4为另外一型船尾附体(轴支架)示意图；
附图标记说明：1-金属丝网格；2-附体模型；3-桨模；4-空泡水筒试验轴；11-鳍片；12-导管；13-安装轴套一；21-左支架；22-右支架；23-安装轴套二。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明的实施例，利用金属丝网格1+附体模型2，可较准确的模拟带船尾节能附体船舶和带轴支架的双桨船舶伴流场的三向伴流，在此伴流场中开展桨模试验更接近实船工况，试验结果更加可靠。金属丝网格1采用多层金属丝编织而成，固定在空泡水筒测试段水流进口附近。附体模型2采用3D打印等方法得到，周期短、成本低，且方便安装在空泡水筒试验轴4上，桨模3紧前方位置。附体模型2与桨模3的相对位置与实船布置相似。
本发明需要在伴流模拟前获得船尾不带附体的轴向伴流场，称为伴流场A，伴流场A就是空泡水筒中通过网格模拟希望得到的第一阶段目标伴流。该伴流场A通过水池伴流试验测量得到，或者通过数值计算方法得到。在水池中测量指定船模运动速度下的三向伴流场，或者利用五孔毕托耙测量桨盘面位置各点的压力分布，并换算出各测点的水流速度。在不同径向位置和不同周向位置处，网格模拟得到的轴向伴流A1与目标伴流A相差一般不能超过10％，越接近越好。
本发明的实施例通过以下4个步骤实现：
步骤1、把事先获得的船尾不带水动力节能附体的轴向伴流场A作为第一阶段目标，在空泡水筒中通过金属丝网格1开展模拟。在桨模3盘面不同径向位置和不同周向位置处，通过毕托耙等设备测量轴向水流速分布，根据测量结果调整各层网格丝的布置和密度等，通过金属丝网格1对水流的阻挡作用来降低后方的水流速度，从而达到调节各空间位置处的水流速度高低不同，使得网格模拟得到的轴向伴流A1与目标伴流A相差一般不能超过10％，越接近越好，通常三层编织网格丝即能达到模拟要求。
步骤2、根据模型试验确定的实桨和桨模3的缩尺比，完全按照实船船尾附体外形尺寸加工附体模型2，附体模型2与空泡水筒试验轴4的安装接口要留好。采用3D打印等方法得到附体模型2，材料为金属或塑料，需要满足强度要求。
步骤3、把附体模型2安装在空泡水筒试验轴4上，固定牢，附体模型2与桨模3的相对位置与实船布置相似。
步骤4、船尾带水动力节能附体或带轴支架的伴流场称为伴流场B，该伴流场不仅包括轴向伴流，还包括周向伴流和径向伴流。该伴流通过水池伴流试验测量得到，或者通过数值计算方法得到。在水池中测量指定船模运动速度下的三向伴流场，或者利用五孔毕托耙测量桨盘面位置各点的压力分布，并换算出各测点的水流速度。伴流场B就是空泡水筒中通过网格+船尾附体模拟法希望得到的最终目标伴流。
对于常规要求的项目，完成步骤1至步骤3后即认为已满足伴流模拟要求，可以开展后续的桨模试验工作。
对于要求高的项目，完成步骤1至步骤3后还需要在空泡水筒中再次测量流速分布，若轴向伴流或周向伴流分布与伴流场B的差异不能满足要求(一般为10％的相对偏差或0.03-0.1的绝对偏差)，则需要对附体模型2进行变形设计，包括调整附体部件如鳍片11、支架等的厚度和空间布置角度等，使得水筒内来流在通过变形附体后形成的伴流场更加接近伴流场B。加工新的附体模型2，重复步骤1至步骤3，直至模拟伴流场满足指标要求。在空泡水筒试验室积累一定经验后，也可以在步骤2直接加工变形附体模型2，从而快速达到高精度伴流模拟要求。
应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅可以用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (9)

1.一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、在伴流模拟前获得船尾不带附体的轴向伴流场，称为伴流场A，所述伴流场A就是空泡水筒中通过网格模拟希望得到的第一阶段目标伴流，在空泡水筒中通过金属丝网格开展模拟，得到轴向伴流A1，轴向伴流A1和伴流场A相差不超过10%；
步骤2、加工附体模型，并在附体模型上预留与空泡水筒试验轴的安装接口；
步骤3、将附体模型安装在空泡水筒试验轴上并固定，调节水筒内来流速度分布，模拟船尾加装附体后的三向伴流场；
获取船尾带附体的伴流场B，伴流场B即为空泡水筒中通过金属丝网格和船尾附体模拟法希望得到的最终目标伴流；
步骤4、完成步骤1至步骤3后，在空泡水筒中再次测量流速分布，若轴向伴流或周向伴流分布与伴流场B的差异不能满足要求，则对附体模型进行变形设计，使得水筒内来流在通过变形的附体后形成的伴流场更加接近伴流场B；
步骤5、加工新的附体模型，重复步骤1至步骤4，直至模拟伴流场满足指标要求；
或在步骤2直接加工变形附体模型，达到高精度伴流模拟要求。
2.如权利要求1所述的一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法，其特征在于：所述步骤1中伴流场A通过水池伴流试验测量得到或通过数值计算方法得到。
3.如权利要求1所述的一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法，其特征在于：所述步骤1中，在桨模盘面不同径向位置和不同周向位置处测量轴向水流速分布，根据测量结果调整金属丝网格的布置和密度，使得轴向伴流A1和目标伴流A相差不超过10%。
4.如权利要求3所述的一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法，其特征在于：所述步骤2中根据实桨和桨模的缩尺比，完全按照实船船尾附体外形尺寸加工附体模型。
5.如权利要求1所述的一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法，其特征在于：所述金属丝网格为三层编织网格丝，固定在空泡水筒测试段水流进口处。
6.如权利要求1所述的一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法，其特征在于：所述带附体的伴流场B包括轴向伴流、周向伴流和径向伴流。
7.如权利要求6所述的一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法，其特征在于：所述带附体的伴流场B通过水池伴流试验测量得到或通过数值计算方法得到。
8.如权利要求1所述的一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法，其特征在于：所述步骤4中变形设计包括调整附体部件的厚度和空间布置角度。
9.如权利要求1所述的一种空泡水筒桨模试验用伴流场模拟方法，其特征在于：所述附体模型采用3D打印方法得到。
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