全方向推进器在复杂流场中的水动力性能研究

Variable Vector Propeller is a new-type thruster, which can be used to provide forces on any direction by control pitch angle periodically. By using this type of propeller, it certainly seems to be able to reduce propellers and consequently to contribute to the compactness and the light weight of ROV.It will be used widely in the field of marine engineering. Variable Vector Propeller works in the complex marine environment and it's vulnerable to the impact of irregular currents and vortices.It's an important problem to be solved when we make research on the variable vector propeller that how to control the blade pitch angle effectively to make the AUV forward, back, yaw, pitch, hover, turn, lift, etc. in the complex marine environment, which is also a forward-looking topic. To solve the problem,we should make research on the hydrodynamic performace of the variable vector propeller in complex flow field firstly. In this project,the method for the accurate simulation of the flow field and hydrodynamic performance prediction of variable vector propeller in tranverse flow,oblique flow and axial non-uniform flow will be studied by the way of combining particle image velocimetry (PIV) and CFD technology. The hydrodynamic performace of the variable vector propeller will be studied to lay a foundation for the manipulation in complex flow field.

全方向推进器是一种新型的推进操纵装置，它可以通过在桨叶的旋转过程中周期性的改变叶片螺距角来产生任意方向的力。全方向推进器可以替代槽道推进器，从而使水下航行器更加轻量化、小型化，改善水下航行器的结构性能与内部布置。它将在海洋工程领域里得到广泛应用。 全方向推进器工作在复杂海洋环境中，易受到不规则海流及旋涡的影响。如何适应复杂的海洋流场，有效的控制叶片螺距角的变化规律来实现水下航行器的前进、后退、偏航、俯仰、悬停、 转弯、升降等动作，是全方向推进器必须面对的问题，也是带有前瞻性的课题。全方向推进器在复杂流场中的水动力性能研究是解决该问题的基础。 本项目拟采用粒子图像测速技术（PIV）与CFD技术相结合的方法来建立横向来流、斜向来流及轴向非均匀来流中的全方向推进器流场精确模拟与水动力性能预报方法，对复杂流场中全方向推 进器的水动力性能进行研究，为解决全方向推进器在复杂流场中的操控问题奠定

全方向推进器是一种新型的推进操纵装置，它可以通过在桨叶的旋转过程中周期性的改变叶片螺距角来产生任意方向的力。如何适应复杂的海洋流场，有效的控制叶片螺距角的变化规律来实现水下航行器的前进、后退、悬停、 转弯、升降等动作，是全方向推进器必须面对的问题。全方向推进器在复杂流场中的水动力性能研究是解决该问题的基础。.本项目运用CFD软件计算了螺旋桨的定常水动力性能，给出了不同位置处的压力和速度矢量图。对不同进速系数下螺旋桨的推力系数、扭矩系数、效率进行分析。本项目利用RNG K-ε模型，通过有限体积法和SIMPLE算法对非定常工况进行计算。通过轴向，侧向的推力系数变化，结合每对桨叶的静压、动压图，说明了螺距角周期性变化的影响。结果与尾涡分布图进行对照，验证了尾涡的无规律性。基于对周围流场稳定性的假设和瞬时流场的发展性原理。采用滑动网格模型和多参考系（MRF）模型对非定常工况进行计算。结果显示，MRF方法计算结果较稳定，滑动网格更接近真实值，但波动较大。分析了整体螺距角、周期螺距角、纵倾角对全方向推进器水动力性能的影响。结果显示，大的纵倾角可以获得更大的侧向力，周期螺距角的值对全方向推进器的水动力性能起决定性作用。.本项目进行了粒子图像测速技术（PIV）试验，获得了尾流场信息，与CFD技术相结合建立了横向来流、斜向来流及轴向非均匀来流中的全方向推进器流场精确模拟与水动力性能预报方法，对复杂流场中全方向推进器的水动力性能进行研究，为解决全方向推进器在复杂流场中的操控问题奠定了基础。.在进行斜向来流和横向来流试验时，由于艇体本身尺寸较大,其自身的阻力很大，推进器产生的侧向力与艇体阻力相比为一个绝对小量，无法准确获取该工况下推进器的侧向力。建议在以后的研究中，尽量减小推进器艇体本身尺寸，或是采用优化设计法设计加工桨叶，使其产生更大的侧向力。