非均勻伴流中復(fù)合材料螺旋槳非定常空化流固耦合研究

張 晶，張晨星，王 惠，梁欣欣，吳 欽

（1.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076；2.北京理工大學(xué)機(jī)械與車輛學(xué)院，北京 100081）

0 引 言

船用螺旋槳大多采用錳-鎳-鋁-銅/青銅（MAB、NAB）合金制成，雖然屈服強(qiáng)度高，可靠性較好，但存在因阻尼性能差而易產(chǎn)生振動(dòng)噪聲、易空蝕和易疲勞破壞等問(wèn)題，直接限制其服役壽命及推進(jìn)性能[1-3]。纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料由于具有高比強(qiáng)、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減振性好和性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)勢(shì)，已在航空航天等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[4-5]。近年來(lái)，利用先進(jìn)復(fù)合材料研制性能優(yōu)異的新型船用螺旋槳備受關(guān)注[6]。

與可忽略水彈性響應(yīng)的剛性金屬螺旋槳不同，針對(duì)復(fù)合材料螺旋槳的研究必須考慮槳葉與流體之間顯著的流固耦合效應(yīng)[7-9]。然而，目前關(guān)于復(fù)合材料螺旋槳的研究多是基于CFD 對(duì)其敞水性能和結(jié)構(gòu)靜力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行的計(jì)算分析，對(duì)復(fù)合材料螺旋槳的瞬態(tài)雙向流固耦合及空化水動(dòng)力特性的研究非常少[10-13]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)流固耦合算法進(jìn)行了深入研究，建立了兩種經(jīng)典的算法：完全耦合法和分步耦合法。其中完全耦合法也稱整體求解法，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)建立統(tǒng)一的耦合方程，在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)對(duì)流體域和結(jié)構(gòu)域中所有的未知量同時(shí)進(jìn)行求解；分步耦合法則是分別對(duì)流場(chǎng)和結(jié)構(gòu)場(chǎng)選擇合適的數(shù)值算法進(jìn)行獨(dú)立求解，再通過(guò)流固耦合交界面進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞直至獲得收斂解。按照耦合的緊密程度，可分為松耦合算法和緊耦合算法：松耦合算法是指在一個(gè)時(shí)間步內(nèi)，按順序先求解流場(chǎng)，接著通過(guò)流固耦合交界面進(jìn)行水動(dòng)力信息傳遞，再進(jìn)行結(jié)構(gòu)場(chǎng)有限元計(jì)算；……