船舶推進(jìn)器水動(dòng)力學(xué)

前言

歷史上蒸汽動(dòng)力裝置在船舶推進(jìn)中的應(yīng)用，改變了船舶在波浪中的航速與航線，也促進(jìn)了19世紀(jì)中期船舶運(yùn)動(dòng)理論的誕生。從此，在牛頓力學(xué)的基礎(chǔ)上，開始了船舶力學(xué)漫長的發(fā)展歷程。于20世紀(jì)上半葉形成了自身較為系統(tǒng)的專業(yè)格局，并且在20世紀(jì)下半葉取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。在20世紀(jì)后40年，隨著世界經(jīng)濟(jì)大循環(huán)模式的形成，船舶的產(chǎn)量、品種大幅增長，船舶設(shè)計(jì)制造技術(shù)頻頻更新，改變著船舶與海上運(yùn)輸?shù)拿婷病?1世紀(jì)將是海洋的世紀(jì)，海洋經(jīng)濟(jì)、海洋開發(fā)與海洋軍民裝備的發(fā)展需求更將給海洋運(yùn)載器技術(shù)的進(jìn)步以前所未有的巨大動(dòng)力。船舶力學(xué)是一個(gè)與船舶工程緊密結(jié)合的力學(xué)領(lǐng)域。船舶類型的每一步更新與發(fā)展，都包含著在船舶力學(xué)的領(lǐng)域中認(rèn)識(shí)與把握船舶所遭受的隨機(jī)、復(fù)雜、險(xiǎn)惡的環(huán)境載荷，改進(jìn)航行性能，保證船體安全可靠等方面的科學(xué)與技術(shù)的進(jìn)步。凡是船舶力學(xué)研究最活躍的地方，往往就是需求最明確、船舶新技術(shù)出現(xiàn)最快的地方。可以說，現(xiàn)代船舶發(fā)展的歷史，也就是船舶力學(xué)發(fā)展的歷史，船舶力學(xué)是船舶技術(shù)創(chuàng)新的重要源泉之一，而船舶的工程需求又是船舶力學(xué)發(fā)展的基石，兩者緊密結(jié)合，與時(shí)俱進(jìn)。因此，可以預(yù)見，進(jìn)入21世紀(jì)以后，不用太長的時(shí)間，船舶力學(xué)發(fā)展的歷史必將翻到嶄新的一頁。面對(duì)這樣的歷史機(jī)遇，有必要對(duì)世紀(jì)之交船舶力學(xué)若干主要領(lǐng)域的前沿內(nèi)容，以及我國船舶科技工作者希望有更多了解的新內(nèi)容作一些歸納與介紹。這不僅是我國廣大船舶科技工作者的愿望，也有助于為進(jìn)一步發(fā)展船舶力學(xué)打好基礎(chǔ)。20世紀(jì)80年代初以來，我國的船舶工業(yè)與船舶技術(shù)取得了迅速的發(fā)展，船舶總產(chǎn)量在20世紀(jì)末已穩(wěn)居世界第三位。為奠定我國船舶技術(shù)與船舶工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，我國的船舶力學(xué)工作者含辛茹苦，摩胼勵(lì)胝地工作，取得了豐碩成果，有的領(lǐng)域接近和達(dá)到了國際先進(jìn)水平。本世紀(jì)初是我國船舶工業(yè)和船舶技術(shù)跨越式發(fā)展的重要?dú)v史時(shí)期，為進(jìn)一步振興我國的船舶技術(shù)與船舶工業(yè)，有必要把所取得的成果與國際動(dòng)向結(jié)合起來，作必要的提煉與總結(jié)，供我國船舶與海洋工程界科技人員和高等學(xué)校師生參考。

內(nèi)容概要

　　《船舶推進(jìn)器水動(dòng)力學(xué)》論述現(xiàn)代船舶推進(jìn)器理論，它反映了近30年國內(nèi)外研究工作者的優(yōu)秀成果，可作為一本現(xiàn)代船舶推進(jìn)器理論的高等參考書或高等教材?！洞巴七M(jìn)器水動(dòng)力學(xué)》各專題的詳細(xì)題目可在目錄中看到?！洞巴七M(jìn)器水動(dòng)力學(xué)》包含推進(jìn)器的升力面理論、面元法、空泡流、粘流中的計(jì)算流體力學(xué)，以及理論設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)代發(fā)展趨向。升力面理論述及到螺旋槳和對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的定常與非定常理論，三維條件下厚度影響的精確處理，以及各種近代的螺旋槳尾流模型和渦分離模型。面元法包括了螺旋槳、調(diào)距槳和導(dǎo)管推進(jìn)器的定常與非定常的面元法?？张萋菪龢砻嬷車张輩^(qū)及槳的水動(dòng)力預(yù)報(bào)的數(shù)值方法在《船舶推進(jìn)器水動(dòng)力學(xué)》中也有詳細(xì)闡述。《船舶推進(jìn)器水動(dòng)力學(xué)》還有兩個(gè)特色方面是對(duì)螺旋槳在粘流中的計(jì)算流體力學(xué)（CFD）方法作了介紹，以及對(duì)螺旋槳理論設(shè)計(jì)方法的現(xiàn)代發(fā)展趨向也作了介紹。螺旋槳的CFD是近代發(fā)展中的一個(gè)重要方面。雖然它已可提供很有用的計(jì)算手段，這些手段用勢(shì)流方法是做不到的，但現(xiàn)在在實(shí)際螺旋槳設(shè)計(jì)工作者中，還不普遍熟悉及應(yīng)用。《船舶推進(jìn)器水動(dòng)力學(xué)》有一章介紹了計(jì)算流體力學(xué)的網(wǎng)格生成、湍流模式、數(shù)值方法、以及螺旋槳RANS方程的數(shù)值求解以計(jì)算出螺旋槳在粘流中的性能，它不但可預(yù)報(bào)螺旋槳的敞水性能并可預(yù)報(bào)與船體相互作用下的性能。用新型葉剖面設(shè)計(jì)來改進(jìn)螺旋槳空化性能，以及用粘流與勢(shì)流耦合的概念發(fā)展新的螺旋槳理論設(shè)計(jì)方法來提高設(shè)計(jì)的精確度，也均為當(dāng)今重要的發(fā)展趨勢(shì)。在《船舶推進(jìn)器水動(dòng)力學(xué)》最后一章對(duì)這兩方面作了闡述。由于《船舶推進(jìn)器水動(dòng)力學(xué)》某些內(nèi)容涉及到一些比較高深的流體力學(xué)基礎(chǔ)，這些在大多數(shù)流體力學(xué)教科書中沒有包含。因此《船舶推進(jìn)器水動(dòng)力學(xué)》有一章作為這方面流體力學(xué)的補(bǔ)充知識(shí)，以使閱讀《船舶推進(jìn)器水動(dòng)力學(xué)》容易些。

書籍目錄

第一章 緒論參考文獻(xiàn)第二章 有關(guān)流體力學(xué)基礎(chǔ)的補(bǔ)充2.1 柱坐標(biāo)系及運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中的流體動(dòng)力學(xué)方程2.1.1 在與空間固定的坐標(biāo)系中的方程式2.1.2 在運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系中的方程式2.2 從渦量場(chǎng)及速度的散量場(chǎng)確定速度場(chǎng)2.3 奇點(diǎn)面分布的一些重要特性2.3.1 源匯分布2.3.2 偶極子的面分布2.3.3 渦片2.3.4 比奧-薩瓦(Biot-Sawart)定律2.3.5 偶極子片與渦片之間的等價(jià)關(guān)系2.4 格林定理(Green'sTheorem)的應(yīng)用2.5 作用于物體上的定常和非定常的力及力矩參考文獻(xiàn)第三章 螺旋槳的升力面理論3.1 概述3.2 螺旋槳幾何形狀的數(shù)學(xué)表達(dá)3.3 螺旋槳的邊界條件3.4 螺旋槳的升力面模型3.5 考慮葉片厚度的邊值問題3.5.1 常用的處理方法3.5.2 精細(xì)的處理方法3.6 處理螺旋槳升力面邊值問題的概念3.7 葉面區(qū)內(nèi)的渦系模型及離散化3.7.1 渦格的生成3.7.2 葉梢分離渦模型3.7.3 導(dǎo)邊分離渦模型3.8 尾流區(qū)內(nèi)的渦系模型3.8.1 詳細(xì)決定尾渦模型的方法3.8.2 決定尾渦變形的簡化方法3.9 定常問題渦系的誘導(dǎo)速度計(jì)算3.1 0源分布的誘導(dǎo)速度計(jì)算3.1 1定常問題的正問題求解3.1 2水動(dòng)力計(jì)算3.1 3螺旋槳的升力面設(shè)計(jì)計(jì)算方法3.1 4非定常機(jī)翼的渦系3.1 5螺旋槳非定常升力面模型3.1 6螺旋槳非定常升力面問題的求解3.1 6.1 渦格的建立3.1 6.2 其他葉片(包括它們的尾渦片)上的奇點(diǎn)布置3.1 6.3 Kutta條件的處理3.1 6.4 在控制點(diǎn)上的法向誘導(dǎo)速度計(jì)算及邊值問題的方程式3.1 6.5 在時(shí)域中的分步計(jì)算3.1 7作用于槳葉上的非定常水動(dòng)力3.1 7.1 軸承力3.1 7.2 伴流場(chǎng)的諧調(diào)分析3.1 7.3 軸承力的頻率特征及與伴流場(chǎng)的偶合效應(yīng)3.1 8升力面理論的準(zhǔn)連續(xù)計(jì)算方法3.1 9槳轂影響的處理3.2 0對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的升力面理論計(jì)算方法3.2 0.1 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳定?；纳γ胬碚撚?jì)算法3.2 0.2 均勻來流中對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳非定常升力面理論計(jì)算法3.2 0.3 非均勻來流中對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳非定常升力面理論計(jì)算法3.2 0.4 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳非定常水動(dòng)力的頻率3.2 0.5 對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳非定常水動(dòng)力計(jì)算參考文獻(xiàn)第四章 螺旋槳的面元法4.1 概述4.2 螺旋槳面元法的基本積分方程及邊界條件4.2.1 螺旋槳定常面元法的基本積分方程及邊界條件4.2.2 螺旋槳非定常面元法的基本積分方程及邊界條件4.3 利用面元法預(yù)報(bào)螺旋槳定常水動(dòng)力性能4.3.1 方程數(shù)值離散4.3.2 壓力Kutta條件的實(shí)施4.3.3 面元網(wǎng)格的劃分4.3.4 速度分布和壓力分布的計(jì)算4.3.5 螺旋槳水動(dòng)力性能計(jì)算4.3.6 數(shù)值試驗(yàn)4.3.7 定常面元法的實(shí)例計(jì)算及驗(yàn)證4.4 螺旋槳非定常水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)4.4.1 數(shù)值離散4.4.2 Kutta條件4.4.3 非定常面元法數(shù)值計(jì)算方法的校核4.5 可調(diào)螺距螺旋槳性能和轉(zhuǎn)葉力矩的預(yù)報(bào)計(jì)算4.5.1 可調(diào)螺距螺旋槳轉(zhuǎn)葉力矩的研究4.5.2 面元法的應(yīng)用4.5.3 可調(diào)螺距螺旋槳槳葉轉(zhuǎn)角后槳葉剖面的畸變4.6 導(dǎo)管螺旋槳升力面／面元耦合的水動(dòng)力計(jì)算方法4.6.1 導(dǎo)管調(diào)距槳定常性能數(shù)值計(jì)算4.6.2 導(dǎo)管螺旋槳非定常性能數(shù)值計(jì)算4.7 導(dǎo)管螺旋槳定常與非定常面元法4.7.1 導(dǎo)管螺旋槳非定常面元法4.7.2 導(dǎo)管螺旋槳定常面元法4.7.3 算例4.8 螺旋槳與舵相互干擾問題4.8.1 螺旋槳與舵非定常性能數(shù)值計(jì)算方法4.8.2 計(jì)算結(jié)果及討論4.9 面元法在螺旋槳設(shè)計(jì)問題上的應(yīng)用4.9.1 導(dǎo)管螺旋槳升力面／面元耦合設(shè)計(jì)方法4.9.2 螺旋槳面元設(shè)計(jì)方法參考文獻(xiàn)第五章 基于粘流理論的螺旋槳CFD計(jì)算方法5.1 概述5.2 流動(dòng)控制方程5.3 湍流模型5.3.1 Baldwin-Lomax(B-L)代數(shù)模型5.3.2 二方程湍流模型——k-ε模型5.3.3 二方程湍流模型——k-ω模型5.4 數(shù)值離散方法5.4.1 有限差分法5.4.2 有限體積法5.5 數(shù)值網(wǎng)格生成5.5.1 結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成方法5.5.2 非結(jié)構(gòu)網(wǎng)格生成技術(shù)5.5.3 混合網(wǎng)格生成技術(shù)5.6 一般曲線坐標(biāo)系下的RANS方程5.7 RANS方程的數(shù)值求解方法5.7.1 分離解法5.7.2 投影法5.7.3 耦合法——人工可壓縮性方法5.8 螺旋槳周圍流場(chǎng)及水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)5.8.1 螺旋槳流道區(qū)域數(shù)值網(wǎng)格生成5.8.2 雷諾平均應(yīng)力方程(RANS)數(shù)值求解5.8.3 數(shù)值算例5.9 船舶推進(jìn)器領(lǐng)域CFD技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用5.9.1 螺旋槳敞水性能預(yù)報(bào)5.9.2 螺旋槳非定常水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)5.9.3 導(dǎo)管螺旋槳敞水性能預(yù)報(bào)參考文獻(xiàn)第六章 螺旋槳空泡流的勢(shì)流方法6.1 概述6.2 升力面理論在三維機(jī)翼空泡計(jì)算中的應(yīng)用6.2.1 基本假定及幾何處理6.2.2 邊值問題6.2.3 積分方程6.2.4 數(shù)值計(jì)算6.2.5 數(shù)值計(jì)算中的幾個(gè)注意點(diǎn)6.3 升力面理論在螺旋槳空泡計(jì)算中的應(yīng)用6.3.1 基本假定及幾何處理6.3.2 邊值問題6.3.3 積分方程6.3.4 數(shù)值計(jì)算6.3.5 算例6.4 面元法在螺旋槳空泡計(jì)算中的應(yīng)用6.4.1 坐標(biāo)系與螺旋槳的幾何表達(dá)6.4.2 邊值問題6.4.3 數(shù)值求解方法6.4.4 數(shù)值計(jì)算結(jié)果6.4.5 幾點(diǎn)注釋參考文獻(xiàn)第七章 現(xiàn)代船舶推進(jìn)器的設(shè)計(jì)方法及其發(fā)展趨勢(shì)7.1 概述7.2 新型葉剖面7.3 新型葉剖面在螺旋槳設(shè)計(jì)中的應(yīng)用7.4 考慮非定常運(yùn)轉(zhuǎn)的螺旋槳設(shè)計(jì)7.5 應(yīng)用B樣條修改葉剖面及螺旋槳設(shè)計(jì)7.5.1 應(yīng)用B樣條曲線設(shè)計(jì)翼剖面7.5.2 應(yīng)用B樣條曲面設(shè)計(jì)螺旋槳葉7.6 應(yīng)用粘流CFD計(jì)算船后推進(jìn)器的水動(dòng)力性能7.7 粘流／勢(shì)流耦合的船后推進(jìn)器設(shè)計(jì)方法參考文獻(xiàn)附錄Ⅰ 直線渦段的誘導(dǎo)速度附錄Ⅱ 源線段的誘導(dǎo)速度附錄Ⅲ 在螺旋槳拱弧面上sA的計(jì)算公式

章節(jié)摘錄

插圖：已經(jīng)講到，升力面有取于拱弧面上，也有取于參考面上，無論哪種取法在下面統(tǒng)稱為升力面。在葉片區(qū)內(nèi)，相切于升力面的渦矢量可以分解成相切于升力面的兩個(gè)分量，但可有不同的分解處理方法，后面將會(huì)討論到。經(jīng)典的分解方法是由二個(gè)相互正交的分量來代替。一般其中一個(gè)分量在圓柱面與升力面的交線上，這個(gè)分量在葉片區(qū)內(nèi)稱弦向渦，由這個(gè)分量構(gòu)成的渦系稱為弦向渦系；而另一個(gè)渦分量在幅平面與升力面的交線上，稱為展向渦；而由這個(gè)渦分量構(gòu)成的渦系稱為展向渦系。這樣分解的弦向渦與展向渦方向正交。這種展向渦取在幅平面與升力面的交線上，以往也稱為附著渦，這種分解方法過去曾作為經(jīng)典的分解方法。但也可以根據(jù)對(duì)解問題有利，采用非正交的分解。這樣，展向渦系相對(duì)于弦向渦而言，不一定要二者正交，故“展向”二字更為廣義。

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