【摘 要】
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螺旋桨尾流场的涡流特性是一个基础但又十分复杂的流体力学问题,它的复杂性源于其蕴含复杂的漩涡系统,且该漩涡系统会在高速的剪切层流动中不断演化,其流体动力学行为,如由稳定态演变为不稳定态的机理以及复杂工况环境中的流动现象,一直是流体力学领域的难点和备受关注的热点问题。从工程应用的角度看,桨后梢涡的演化特性与船舶结构物的宏观特性直接相关（如梢涡融合以及短波不稳定性和长波不稳定性引起的涡系统崩溃,都会导致
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螺旋桨尾流场的涡流特性是一个基础但又十分复杂的流体力学问题,它的复杂性源于其蕴含复杂的漩涡系统,且该漩涡系统会在高速的剪切层流动中不断演化,其流体动力学行为,如由稳定态演变为不稳定态的机理以及复杂工况环境中的流动现象,一直是流体力学领域的难点和备受关注的热点问题。从工程应用的角度看,桨后梢涡的演化特性与船舶结构物的宏观特性直接相关（如梢涡融合以及短波不稳定性和长波不稳定性引起的涡系统崩溃,都会导致流噪声的增加）,更好地理解多工况下螺旋桨尾流的动力学特性,将有助于改善与振动、噪声以及结构问题等相关的推进器性能,对综合性能优良的下一代螺旋桨的设计和优化有着重要的现实意义。根据螺旋桨尾流的以上特点,本文在系统总结当前国内外研究基础的前提下,提出了目前尚待进一步研究和挖掘的工作。针对螺旋桨尾流不稳定性机理、非设计工况下螺旋桨尾流特征以及螺旋桨尾涡与结构物干扰等问题,以不同湍流模拟方法和PIV实验为手段,通过对公开标模螺旋桨的尾流场进行数值计算和实验测量,首次从定量分析的角度为CFD方法研究螺旋桨尾流不稳定性问题提供了依据。提出了修正相平均算法并编制了相关程序,该算法能够自动剔除螺旋桨下游测量失败的梢涡和寻找梢涡涡核的位置,提高了螺旋桨尾流场PIV试验和CFD计算（特别是PIV试验结果）中相平均结果的真实性和可靠性,能够有效避免由于下游梢涡蜿蜒和不稳定性运动而导致传统相平均结果严重低估下游梢涡强度和高估湍流耗散率的情况。本文基于CFD求解器结合空泡水筒和循环水槽PIV实验,开展了螺旋桨在敞水条件下均匀来流和非均匀来流工况、不同桨轴沉深艇-桨一体系统近自由液面工况以及桨-舵系统中的尾流动力学特性分析,其中非均匀来流条件包括自由来流中有湍流摄动和螺旋桨具有周期性振荡运动的情况。分别从各物理量的平均态、瞬态、尾流拓扑结构、涡结构的运动学规律以及涡-涡的相互作用机制等多角度剖析了多工况下螺旋桨尾流的动力学行为,对涡结构互感效应的触发机理进行了揭示。对均匀来流工况中螺旋桨尾流不稳定性的触发机制进行了研究,首次确定了触发螺旋桨尾流从稳定态到不稳定态的各种因素。对非均匀来流条件下、桨-舵系统以及近自由液面的螺旋桨尾流演化机理进行了阐释。并基于均匀来流中螺旋桨梢涡的演化机理,提出了螺旋桨梢涡的演化模型,该模型首次定量地描述了梢涡之间的互感效应和随边涡与梢涡之间的相互作用以及梢涡不稳定性的触发。该模型能够较为准确地模拟螺旋桨梢涡的演化过程,且能较为准确地解释多种梢涡不稳定性现象,预测螺旋桨梢涡融合的时间和位置,对螺旋桨流噪声预报和控制以及性能优良的螺旋桨设计具有重要意义。
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