ISSN:2321-1156International Journal

ISSN:2321-1156
International Journal of Innovative Research in Technology & Science(IJIRTS)
121
Design of hybrid composite marine propeller for improved cavitation performance
Design of hybrid composite marine propeller
for improved cavitation performance
S.Solomon Raj, Assistant Professor, Department of Mechanical Engineering, CBIT, Gandipet, Hyderabad-75.
1;
Dr.P.Ravinder Reddy, Professor, Department of Mechanical Engineering, CBIT, Gandipet, Hyderabad-75. 2.
Abstract
This work aims at understanding the effect of bend-twist coupling
in composite materials for improved performance in general
and cavitation performance in specific compared to metallic
propeller. A four bladed propeller is modeled and analyzed for
open water characteristics and cavitation inception. Then, hybrid
composite marine propeller is analyzed with the same model
along with fluid structure interaction (FSI) using hydro-elastic
model. The results of analysis showed, that composite marine
propeller can be designed for a greater flexibility in operating
range compared to metallic propeller because of inherent couplings
exhibited by composite materials. The open water characteristics
and cavitation performance of propeller is plotted for
NAB and composite propeller.
Keywords: marine propeller; cavitation inception; bend-twist
coupling.
1. Introduction
Marine propeller is a component which forms the principal
part of ships since it gives the required propulsion. The propeller
is an important component of the ship which converts
the engine power into the driving force of the ship. These
days, conventional marine propellers remain the standard
propulsion mechanism for surface ships and underwater vehicles.
In general, a propulsor is any device which produces
thrust to propel a vehicle, and since the 1800’s the most
common form of propulsor for ships has been the propeller
(or screw propeller, or screw). Nickel-Aluminium-Bronze
(NAB) alloy is the most common material for ship propellers
but, more recently, composite materials have been used
in their construction. Cavitation occurs when the local absolute
pressure is less than local vapor pressure for the fluid
medium. In fluid power applications the evaporation pressure
is reached when flow velocity is increased sufficiently.
Cavitation may lead to expensive problems if not acknowledged
in an early design stage. The inception of cavitation
on hydrofoil is a basic phenomenon in hydrodynamics
which refers to the appearance of vapor phase when liquid
flows around a hydrofoil. For thin hydrofoils at moderate
angle of attack, the first occurrence of cavitation is closely
related to the minimum pressure near the leading edge according
to [1-5]. Under these conditions the inception of
cavitation marks the establishment of relatively large separated
flow of vapor on the upper surface near the leading
edge commonly referred to as sheet cavitation. Once sheet
cavitation is developed, pressure on the upper surface of the
hydrofoil is higher than the non cavitating flow. This in turn
limits the hydrofoils maximum lift, increases drag, changes
the pitching moment. This may also responsible for propeller’s
noise and vibration as well as efficiency drop and material
erosion. The typical design objective is to delay cavitation
to higher angles of attack in order to widen the performance
of propeller’s blades. Minimum pressure coefficient,
, is used to measure and correlate cavitation
inception. For a given hydrofoil at a fixed angle of attack
Cavitation inception index
, tends to increase with flow
Reynolds number. Various studies provided the cavitation
inception index at various angles of attack. Increasing the
angle of attack up to the stall angle at a fixed Reynolds’s
number also causes to increase in cavitation inception index
ISSN:2321-1156
International Journal of Innovative Research in Technology & Science(IJIRTS)
122
INTERNATIONAL JOURNAL OF INNOVATIVE RESEARCH IN TECHNOLOGY&SCIENCE | VOLUME 2, NUMBER3
[2]. Cavitation inception is dependent on various effects
such as surface roughness, cavitation nuclei and transport of
non condensable gases [6]. The process of beginning of cavitation
is called “Cavitation Inception”. Pure water can
withstand considerable low pressure (i.e. negative tension)
without undergoing cavitation. For the cavitation inception
“the inception pressure” is assumed to be equal to the vapor
pressure
, at the sea. The study of propeller action and design
is complex especially the manufacturing of marine
propellers is a highly specialized procedure. This complex
analysis can be easily solved by numerical techniques.
Cavitation inception is of direct importance to Navy vessels,
because of the sudden increase in noise levels causes to
trouble from stealth point of view at the onset of cavitation.
1.1. Adverse effects of cavitation
The main effects of cavitation are: noise, erosion, vibrations and
disruption of the flow, which results in loss of lift and in-crease
of drag. Cavitation is known for its violent behavior. That is
caused by the fact that vaporization of water and condensation of
vapor are very fast processes, much faster than the dynamics of a
vapor cavity. As a result the growth and collapse of a cavity is
not slowed down by these processes. The violent behavior of
cavitation has several adverse effects. Because cavitation is part
of the flow, it can move rapidly from regions of low pressure
into regions of a higher pressure. This leads to a very rapid collapse.
The collapse is so rapid that the local speed of sound in
the fluid is exceeded and shock waves occur. The consequence is
that cavitation is very noisy and radiates noise over a wide range
of frequencies, especially higher frequencies. Also the local
pressure rises very strongly at collapse, leading to damage of a
nearby surface. This effect is called erosion. When larger
amounts of vapor are involved the implosion of cavitation can
cause pressure variations in the fluid, which lead to vibration of
the cavitating structure. The majority of the adverse effects of
cavitation can be related with erosion, noise and vibrations. Cavitation
can also alter the flow. This is e.g. the case on propellers
when the cavitation becomes extensive. In that case the flow
over the blades and the lift of the blades is altered by the cavitation
and the thrust of the propeller is strongly reduced. This is
the so-called thrust breakdown. Cavitation inception is important
for two reasons. The first reason is that the radiated noise level
of any form of cavitation is an order of magnitude higher than
the noise level of a non-cavitating flow. This is used by Navy
ships to detect and locate other ships and by torpedo's to home in
on the ship. This is the Navy problem of cavitation inception and
the inception speed of a navy ship is very important. In this work
cavitation inception speed in calculated both for metallic propeller
and hybrid composite propeller.
1.2. Propeller performance
In general, the performance of a marine propeller is measured interms
of open-water characteristics. The parameters used for this
purpose are






















ISSN:2321-1156
International Journal of Innovative Research in Technology & Science(IJIRTS)
123
Design of hybrid composite marine propeller for improved cavitation performance
2. Methodology
In this work, a four bladed propeller is modeled and is analyzed
for open water characteristics and cavitation inception point. The
propeller is modeled in CATIA V5 R17 as shown in fig 1. Fairing
caps and shaft are added to the propeller for carrying out the
fluid analysis. The fluid analysis is carried out using the general
purpose CFD software Fluent 6.3.26 .The inlet was considered at
a distance of 3D (where D is diameter of the propeller) from mid
of the chord of the root section. Outlet is considered at a distance
of 4D from same point at downstream. In radial direction domain
was considered up to a distance of 4D from the axis of the
hub. This peripheral plane is called far-field boundary. All the
boundary conditions are shown in fig 2.
Fig 1. Four bladed propeller.
The mesh is generated with ICEM CFD in such a way that cell
sizes near the blade wall were small and increased towards outer
boundary. Five prismatic layers are grown on the surface of the
blade, hub and shaft to account for the boundary layer as shown
in fig 2.
Fig 2. Meshed fluid domain
The pressure obtained from the fluid analysis is mapped to structure
for static analysis where in deformed configuration can be
obtained. Fluid analysis is carried out again on the deformed
configuration to obtain the new pressure distribution on the
blades. This process is repeated till the convergence is achieved,
i.e. the difference is KQ between two consecutive iterations is
less than 5%. The fluid structure interaction is done as shown in
the following fig 3.
Fig 3. Fluid structure interaction flow-chart.
3. Results and discussion
3.1Metallic propeller
The operating conditions for the analysis are taken as follows:
the operating pressure is taken as 14000Pa corresponding to a
depth of 1.42m in the water. The vapor pressure is taken as 5000
Pa corresponding to 330C of water. The advance velocity is kept
constant at 3.83m/s and the rotational speed of the propeller is
varied over a range of advance coefficients. The open water
characteristics are presented in table 1, and are plotted in fig 4.
Table 1: open water characteristics
Speed(rpm) J
thrust
(T), N
Torque
(Q) N-m KT 10KQ
Efficiency
‘η’
1080 1.038 38.11 2.03 0.067 0.173 0.636
1200 0.934 90.51 3.88 0.128 0.268 0.711
1260 0.890 119.6 4.89 0.154 0.306 0.710
1320 0.849 150.77 5.98 0.176 0.341 0.699
1500 0.747 257.28 9.67 0.233 0.427 0.649
1600 0.701 324.92 12.01 0.259 0.466 0.619
1700 0.659 398.57 14.55 0.281 0.501 0.590
1800 0.623 498.17 17.29 0.313 0.531 0.586
1900 0.590 563.64 20.24 0.318 0.557 0.536
2000 0.560 654.91 23.38 0.334 0.581 0.513
2100 0.534 751.91 26.71 0.348 0.602 0.491
22

Kết quả (Việt) 1:

ISSN:2321-1156Các tạp chí quốc tế của các nghiên cứu sáng tạo trong công nghệ & Science(IJIRTS)121Thiết kế của lai composite biển cánh quạt cho hiệu suất được cải thiện cavitationThiết kế của lai composite biển cánh quạtcho hiệu suất được cải thiện cavitationS.Solomon Raj, trợ lý giáo sư, các bộ phận của cơ khí, CBIT, Gandipet, Hyderabad-75.1;Dr.P.Ravinder Reddy, giáo sư, bộ môn kỹ thuật cơ khí, CBIT, Gandipet, Hyderabad-75. 2.Tóm tắtCông việc này nhằm mục đích sự hiểu biết tác dụng của bend-twist khớp nốitrong các vật liệu composite để cải thiện hiệu suất nói chungvà hiệu suất cavitation trong cụ thể so với kim loạicánh quạt. Bộ cánh quạt bốn cánh mô phỏng và phân tích chođặc điểm của nước mở và khởi động cavitation. Sau đó, kết hợpcánh quạt biển tổng hợp được phân tích với cùng một mô hìnhcùng với cấu trúc chất lỏng tương tác (FSI) bằng cách sử dụng thủy lực đàn hồiMô hình. Kết quả phân tích cho thấy, đó thủy compositecánh quạt có thể được thiết kế cho một linh hoạt hơn trong hoạt độngphạm vi so với cánh quạt kim loại vì vốn có khớp nốitrưng bày bằng vật liệu composite. Đặc điểm của nước mởvà cavitation hiệu suất của cánh quạt âm mưu choCánh quạt NAB và hỗn hợp. Từ khóa: biển cánh quạt; cavitation đời; Bend-xoắnkhớp nối.1. giới thiệuBiển cánh quạt là một thành phần tạo thành hiệu trưởngmột phần của con tàu kể từ khi nó mang lại cho hệ thống động lực cần thiết. Cánh quạtlà một thành phần quan trọng của con tàu mà chuyển đổisức mạnh động cơ thành động lực của con tàu. Đâyngày, chân vịt biển thông thường duy trì các tiêu chuẩnđẩy các cơ chế cho các tàu nổi và xe dưới nước.Nói chung, một propulsor là bất kỳ thiết bị nào đó sản xuấtlực đẩy để đẩy một xe, và kể từ những năm 1800 nhấtCác hình thức phổ biến của propulsor cho tàu đã là cánh quạt(hoặc cánh quạt vít, hoặc vít). Niken-nhôm-đồngHợp kim (NAB) là vật liệu phổ biến nhất cho tàu cánh quạtTuy nhiên, gần đây, vật liệu composite đã được sử dụngtrong xây dựng của họ. Cavitation xảy ra khi địa phương tuyệt đốiáp lực là thấp hơn áp suất hơi địa phương cho các chất lỏngphương tiện truyền thông. Trong các ứng dụng chất lỏng điện áp suất bay hơiđạt đến khi vận tốc dòng chảy tăng lên đầy đủ.Cavitation có thể dẫn đến vấn đề tốn kém nếu không công nhậntrong giai đoạn thiết kế đầu. Sự khởi đầu của cavitationtrên tàu cánh ngầm là một hiện tượng cơ bản trong buồngđó đề cập đến sự xuất hiện của hơi giai đoạn khi chất lỏngdòng chảy xung quanh một tàu cánh ngầm. Cho tàu cánh ngầm mỏng tại trung bìnhgóc tấn, sự xuất hiện đầu tiên của cavitation là chặt chẽliên quan đến áp lực tối thiểu gần cạnh hàng đầu theo[1-5]. Dưới đây tiết sự khởi đầu củacavitation đánh dấu việc thành lập tương đối lớn tách radòng chảy của hơi trên bề mặt trên gần hàng đầucạnh thông thường được gọi là tấm cavitation. Một tấmcavitation được phát triển, áp lực trên bề mặt trên của cáctàu cánh ngầm là cao hơn dòng chảy không cavitating. Điều này lần lượtgiới hạn tối đa tàu cánh ngầm nâng, tăng kéo, thay đổibày thời điểm này. Điều này có thể cũng có trách nhiệm của cánh quạttiếng ồn và rung động cũng như hiệu quả thả và vật liệuxói mòn. Mục tiêu thiết kế điển hình là để trì hoãn cavitationđể góc tấn lớn cao để mở rộng việc thực hiệnlưỡi kiếm của cánh quạt. Hệ số tối thiểu áp lực,, được sử dụng để đo lường và tương quan cavitationsự khởi nguồn. Cho một tàu cánh ngầm nhất định ở một góc tấn lớn cố địnhCavitation lập chỉ mục, có xu hướng tăng với dòng chảySố Reynolds. Nghiên cứu khác nhau cung cấp cavitationkhởi động các chỉ mục tại các góc tấn lớn. Tăng cácgóc tấn đến góc gian hàng tại một Reynolds cố địnhsố cũng gây ra để tăng trong cavitation lập chỉ mục ISSN:2321-1156Các tạp chí quốc tế của các nghiên cứu sáng tạo trong công nghệ & Science(IJIRTS)122Các tạp chí quốc tế của các nghiên cứu sáng tạo trong công nghệ & Khoa học | TẬP 2, NUMBER3[2]. cavitation khởi đầu là phụ thuộc vào các hiệu ứngchẳng hạn như bề mặt gồ ghề, cavitation hạt nhân và vận chuyểnPhòng Không condensable khí [6]. Quá trình đầu cavitationđược gọi là "Cavitation khởi động". Nước tinh khiết có thểchịu được áp lực thấp đáng kể (tức là căng thẳng tiêu cực)mà không cần trải qua cavitation. Cho sự khởi đầu cavitation"áp lực khởi động" được giả định là tương đương với cách làm bay hơiáp lực, vào biển. Nghiên cứu hành động cánh quạt và thiết kếphức tạp đặc biệt là sản xuất thủycánh quạt là một thủ tục chuyên môn cao. Phức tạp nàyphân tích có thể được giải quyết một cách dễ dàng bằng kỹ thuật số.Cavitation khởi động là trực tiếp quan trọng con tàu Hải quân,bởi vì sự gia tăng đột ngột trong tiếng ồn cấp nguyên nhân đểrắc rối từ ẩn điểm của xem lúc bắt đầu cavitation.1.1. tác dụng của cavitationNhững tác động chính của cavitation: tiếng ồn, xói mòn, rung động vàgián đoạn dòng chảy, mà kết quả trong mất mát của Thang máy và trong nếp gấpcủa kéo. Cavitation được biết đến với hành vi bạo lực của nó. Đó làgây ra bởi một thực tế mà bay hơi của nước và sự ngưng tụ củahơi là quá trình rất nhanh, nhanh hơn nhiều so với các động thái của mộthơi khoang. Kết quả là sự phát triển và sự sụp đổ của một khoang làkhông làm chậm bởi các quá trình này. Hành vi bạo lực củacavitation có một số tác dụng phụ. Bởi vì cavitation là một phầndòng chảy, nó có thể di chuyển nhanh chóng từ vùng áp suất thấpvào vùng áp lực cao. Điều này dẫn đến một sự sụp đổ nhanh chóng.Sự sụp đổ là rất nhanh chóng các địa phương tăng tốc độ của âm thanh trongCác chất lỏng vượt quá và sóng sốc xảy ra. Hậu quả làcavitation đó rất ồn ào và phát ra tiếng ồn trên một phạm vi rộngtần số, đặc biệt là cao tần số. Cũng là các địa phươngáp lực lên rất mạnh mẽ tại sụp đổ, dẫn đến thiệt hại của mộtgần bề mặt. Hiệu ứng này được gọi là xói mòn. Khi lớn hơnmột lượng hơi có liên quan có thể nổ cavitationgây ra áp lực biến thể trong các chất lỏng, mà dẫn đến sự rung động củacấu trúc cavitating. Phần lớn các tác dụng phụ củacavitation có thể liên quan với xói mòn, tiếng ồn và độ rung lớn. Cavitationcũng có thể thay đổi dòng chảy. Đây là ví dụ như trường hợp trên cánh quạtKhi cavitation trở thành rộng rãi. Trong trường hợp đó dòng chảytrên lưỡi và Thang máy của lưỡi được thay đổi bởi cavitationvà đối tượng của cánh quạt là giảm mạnh mẽ. Điều này làphân tích cái gọi là lực đẩy. Cavitation khởi đầu là quan trọngvì hai lý do. Lý do đầu tiên là mức độ tiếng ồn chiếutrong bất kỳ hình thức cavitation là một thứ tự cường độ cao hơnđộ ồn của một dòng chảy không cavitating. Điều này được sử dụng bởi Hải quântàu để phát hiện và xác định vị trí các con tàu khác và bởi ngư lôi nhà ởtrên tàu. Đây là vấn đề Hải quân của cavitation khởi đầu vàtốc độ khởi động của một tàu Hải quân là rất quan trọng. Trong tác phẩm nàycavitation khởi đầu tốc độ trong tính toán cả hai cho cánh quạt kim loạivà cánh quạt composite lai.1.2. cánh quạt hiệu suấtNói chung, hiệu suất của bộ cánh quạt biển là đo intermsmở nước đặc điểm. Các tham số được sử dụng cho việc nàymục đích là ISSN:2321-1156Các tạp chí quốc tế của các nghiên cứu sáng tạo trong công nghệ & Science(IJIRTS)123Thiết kế của lai composite biển cánh quạt cho hiệu suất được cải thiện cavitation2. phương phápTrong tác phẩm này, bộ cánh quạt bốn cánh dựa, và được phân tíchđặc điểm của nước mở và cavitation khi thành lập điểm. Cáccánh quạt được mô phỏng trong CATIA V5 R17 như minh hoạ trong hình 1. Fairingmũ và trục được bổ sung vào cánh quạt để thực hiện cácphân tích chất lỏng. Phân tích chất lỏng được thực hiện bằng cách sử dụng chungmục đích CFD phần mềm thạo 6.3.26. Các đầu vào được coi là lúckhoảng cách 3D (trong đó D là đường kính cánh quạt) từ giữacủa chord phần gốc. Cửa hàng được coi là ở khoảng cách4 D từ cùng một điểm ở hạ nguồn. Trong hướng xuyên tâm miềnđược coi là lên đến khoảng cách 4 D từ trung của cácTrung tâm. Chiếc máy bay thiết bị ngoại vi này được gọi là xa lĩnh vực ranh giới. Tất cả cácđiều kiện biên Hiển thị trong hình 2.Hình 1. Bốn cánh quạt. Lưới được tạo ra với ICEM CFD trong một cách mà các tế bàoKích thước gần tường lưỡi bị nhỏ và gia tăng đối với bên ngoàiranh giới. Lăng trụ năm lớp được trồng trên bề mặt của cácBlade, Trung tâm và trục vào tài khoản cho các lớp ranh giới như hiển thịtrong hình 2.Hình 2. Meshed chất lỏng miềnÁp suất thu được từ phân tích chất lỏng là ánh xạ tới cấu trúcphân tích thành tĩnh nơi trong cấu hình bị biến dạng có thể làthu được. Phân tích chất lỏng được mang một lần nữa trên các biến dạngcấu hình để có được phân phối mới áp lực trên cáclưỡi. Quá trình này được lặp đi lặp lại cho đến khi đạt được sự hội tụ,tức là sự khác biệt là KQ giữa hai lặp đi lặp lại liên tiếp làít hơn 5%. Tương tác chất lỏng cấu trúc được thực hiện như minh hoạ trongsau hình 3.Hình 3. Tương tác chất lỏng cấu trúc flow-chart.3. kết quả và thảo luận3.1Metallic cánh quạtCác điều kiện hoạt động để phân tích được thực hiện như sau:áp lực hoạt động được thực hiện như 14000Pa tương ứng với mộtđộ sâu của 1,42 m trong nước. Áp suất hơi được thực hiện như 5000Pa tương ứng với 330C nước. Vận tốc trước được giữhằng số tại 3,83 m/s và tốc độ quay của cánh quạt làkhác nhau trên một loạt các hệ số trước. Mở nướcđặc điểm được trình bày trong bảng 1, và được vẽ trong hình 4.Bảng 1: mở nước đặc điểmSpeed(RPM) Jlực đẩy(T), NMô-men xoắn(Q) N-m KT 10KQHiệu quả'Η'1080 1.038 38.11 2,03 0.067 0.173 0.6361200 0.934 90.51 3,88 0.128 0,268 0,7111260 0.890 119.6 4,89 0.154 0.306 0.7101320 0.849 150.77 5.98 0.176 0.341 0.6991500 0.747 257.28 9.67 0.233 0.427 0.6491600 0.701 324.92 12.01 0.259 0.466 0.6191700 0.659 398.57 14.55 0,281 0.501 0.5901800 0.623 498.17 17.29 0.313 0.531 0.5861900 0.590 563.64 20,24 0.318 0.557 0.5362000 0.560 654.91 23.38 0.334 0.581 0.5132100 0.534 751.91 26.71 0.348 0.602 0.49122

Kết quả (Việt) 2:

ISSN: 2321-1156
Tạp chí Quốc tế về Nghiên cứu sáng tạo trong nghệ & Khoa học (IJIRTS)
121
Thiết kế lai chân vịt biển tổng hợp để cải thiện hiệu suất cavitation
Thiết kế lai chân vịt biển tổng hợp
để cải thiện hiệu suất cavitation
S.Solomon Raj, Phó Giáo sư, Khoa Kỹ thuật cơ khí , CBIT, Gandipet, Hyderabad-75.
1;
Dr.P.Ravinder Reddy, Giáo sư, Khoa Cơ khí, CBIT, Gandipet, Hyderabad-75. 2.
Tóm tắt
công việc này nhằm tìm hiểu tác động của sự uốn cong xoắn khớp nối
trong vật liệu composite để cải thiện hiệu suất nói chung
và cavitation hiệu suất trong cụ thể so với kim loại
cánh quạt. Một bốn cánh quạt cánh được mô hình hóa và phân tích
đặc tính của nước mở và cavitation khi thành lập. Sau đó, lai
chân vịt biển tổng hợp được phân tích với các mô hình tương tự
cùng với sự tương tác cấu trúc chất lỏng (FSI) sử dụng thuỷ đàn hồi
mô hình. Kết quả phân tích cho thấy, rằng biển tổng hợp
quạt có thể được thiết kế cho một sự linh hoạt hơn trong điều hành
nhiều so với cánh quạt kim loại do khớp nối vốn có
trưng bày bằng vật liệu composite. Các đặc tính của nước mở
và cavitation hiệu suất của cánh quạt được vẽ cho
NAB và cánh quạt composite.
Từ khóa: cánh quạt hàng hải; cavitation khi thành lập; uốn cong xoắn
khớp nối.
1. Giới thiệu
cánh quạt Marine là một thành phần mà hình thức chính
là một phần của con tàu vì nó cung cấp cho các động cơ đẩy cần thiết. Các cánh quạt
là một thành phần quan trọng của tàu mà chuyển đổi
sức mạnh động cơ thành động lực của tàu. Những
ngày này, cánh quạt biển thông thường vẫn là tiêu chuẩn
cơ chế đẩy cho các tàu nổi và phương tiện dưới nước.
Nói chung, một propulsor là bất kỳ thiết bị trong đó sản xuất
lực đẩy để đẩy một chiếc xe, và từ những năm 1800 hầu hết các
hình thức phổ biến của propulsor cho tàu đã được các cánh quạt
(hoặc vít cánh quạt, hoặc vít). Nickel-Nhôm-Bronze
(NAB) hợp kim là chất liệu phổ biến nhất cho chân vịt tàu
nhưng, gần đây hơn, vật liệu composite đã được sử dụng
trong xây dựng. Cavitation xảy ra khi các địa phương tuyệt đối
áp là ít hơn so với áp suất hơi nước cho các chất lỏng
vừa. Trong các ứng dụng công suất thủy lực áp suất bay hơi
đạt được khi vận tốc dòng chảy tăng lên đủ.
Cavitation có thể dẫn đến các vấn đề tốn kém nếu không được thừa nhận
trong giai đoạn thiết kế ban đầu. Sự ra đời của cavitation
trên tàu cánh ngầm là một hiện tượng cơ bản trong thủy động lực
trong đó đề cập đến sự xuất hiện của pha hơi khi chất lỏng
chảy quanh một tàu cánh ngầm. Đối với tàu cánh ngầm mỏng vừa phải ở
góc độ của cuộc tấn công, sự xuất hiện đầu tiên của sự tạo bọt là chặt chẽ
liên quan đến áp lực tối thiểu gần mép theo
để [1-5]. Dưới những điều kiện khởi đầu của
sự tạo bọt đánh dấu sự thành lập tách biệt tương đối lớn
dòng chảy của hơi trên bề mặt trên gần hàng đầu
cạnh thường được gọi là tấm bọt khí. Khi tấm
cavitation được phát triển, áp lực trên bề mặt trên của
cánh ngầm là cao hơn so với các dòng cavitating phi. Điều này sẽ
hạn chế các tàu cánh ngầm nâng tối đa, làm tăng kéo, thay đổi
thời điểm bày. Điều này cũng có thể chịu trách nhiệm cho cánh quạt của
tiếng ồn và rung động cũng như hiệu quả thả và vật chất
xói mòn. Mục tiêu thiết kế điển hình là để trì hoãn sự tạo bọt
để góc cao hơn của cuộc tấn công để mở rộng các hoạt động
của cánh quạt của. Hệ số áp lực tối thiểu,
được sử dụng để đo lường và tương quan cavitation
khi thành lập. Đối với một tàu cánh ngầm đưa ra tại một góc cố định của cuộc tấn công
chỉ khi thành lập
Cavitation, có xu hướng tăng với dòng
số Reynolds. Nhiều nghiên cứu đã cung cấp cavitation
chỉ số khi thành lập ở các góc độ khác nhau của cuộc tấn công. Tăng
góc tấn lên đến góc gian hàng tại một Reynolds của cố định
số lượng cũng gây tăng trong chỉ số khi thành lập cavitation
ISSN: 2321-1156
Tạp chí Quốc tế về Nghiên cứu sáng tạo trong nghệ & Khoa học (IJIRTS)
122
INTERNATIONAL TẠP CHÍ NGHIÊN CỨU INNOVATIVE TRONG CÔNG NGHỆ & KHOA HỌC | VOLUME 2, NUMBER3
[2]. Cavitation khi thành lập là phụ thuộc vào hiệu ứng khác nhau
như bề mặt gồ ghề, hạt nhân cavitation và vận chuyển
khí không ngưng tụ [6]. Quá trình bắt đầu tạo bọt
được gọi là "Cavitation Inception". Nước tinh khiết có thể
chịu được áp suất thấp đáng kể (tức là căng thẳng tiêu cực)
mà không cần trải qua cavitation. Đối với sự ra đời cavitation
"áp lực khi ra đời" được giả định là bằng với hơi
áp
lực, ở biển. Các nghiên cứu về hành động chân vịt và thiết kế
phức tạp đặc biệt là sản xuất các biển
chân vịt là một thủ tục đặc biệt. Khu phức hợp này
phân tích có thể được giải quyết dễ dàng bằng các kỹ thuật số.
Cavitation khi thành lập là có tầm quan trọng trực tiếp cho các tàu hải quân,
do sự gia tăng đột ngột về mức độ tiếng ồn gây ra cho
rắc rối từ điểm tàng hình nhìn lúc bắt đầu tạo bọt.
1.1. Các tác dụng phụ của cavitation
Các tác dụng chính của cavitation: tiếng ồn, xói mòn, rung động và
sự gián đoạn của dòng chảy, mà kết quả trong mất mát của thang máy và nhăn
của kéo. Cavitation được biết đến với hành vi bạo lực của nó. Điều đó được
gây ra bởi thực tế là sự bay hơi của nước và sự ngưng tụ của
hơi nước là quá trình rất nhanh, nhanh hơn nhiều so với sự năng động của một
khoang hơi. Kết quả là sự tăng trưởng và sự sụp đổ của một khoang được
không bị chậm lại bởi các quá trình này. Các hành vi bạo lực của
cavitation có một số tác dụng phụ. Bởi vì cavitation là một phần
của dòng chảy, nó có thể di chuyển nhanh từ khu vực áp suất thấp
thành các vùng áp suất cao hơn. Điều này dẫn đến sự sụp đổ rất nhanh chóng.
Sự sụp đổ quá nhanh mà tốc độ địa phương của âm thanh trong
chất lỏng được vượt quá và sóng xung kích xảy ra. Hậu quả là
có sự tạo bọt là rất ồn ào và tiếng ồn phát ra trên một phạm vi rộng
của tần số, tần số đặc biệt cao. Ngoài ra các địa phương
áp suất tăng rất mạnh vào sự sụp đổ, dẫn đến thiệt hại của một
bề mặt gần đó. Hiệu ứng này được gọi là sự xói mòn. Khi lớn hơn
một lượng hơi nước có liên quan đến sự nổ của cavitation có thể
gây ra các biến áp suất trong chất lỏng, dẫn đến rung động của
các cơ cấu cavitating. Phần lớn các tác dụng phụ của
cavitation có thể liên quan với sự xói mòn, tiếng ồn và độ rung. Cavitation
cũng có thể làm thay đổi dòng chảy. Đây là ví dụ như trường hợp trên cánh quạt
khi cavitation trở nên rộng rãi. Trong trường hợp đó, dòng chảy
trên các cánh quạt và nâng của cánh quạt được thay đổi bởi các bọt khí
và lực đẩy của chân vịt được giảm mạnh. Đây là
cái gọi là sự cố sức đẩy. Cavitation khi thành lập là rất quan trọng
vì hai lý do. Lý do đầu tiên là mức độ tiếng ồn phát ra
bất kỳ hình thức tạo bọt là một đơn đặt hàng của các cường độ cao hơn so với
mức độ tiếng ồn của một dòng chảy không cavitating. Điều này được sử dụng bởi Hải quân
tàu để phát hiện và xác định vị trí các tàu khác và do ngư lôi của nhà ở
trên tàu. Đây là vấn đề hải quân của cavitation khởi động và
tốc độ khởi động của một tàu hải quân là rất quan trọng. Trong tác phẩm này
cavitation tốc độ khởi động trong tính toán cho cả cánh quạt kim loại
và cánh quạt hỗn hợp lai.
1.2. Hiệu suất chân vịt
Nhìn chung, hiệu suất của một cánh quạt biển được đo interms
của các đặc tính mở nước. Các thông số được sử dụng cho việc này
mục đích là ISSN: 2321-1156 Tạp chí Quốc tế về Nghiên cứu sáng tạo trong nghệ & Khoa học (IJIRTS) 123 Thiết kế lai chân vịt biển tổng hợp để cải thiện hiệu suất cavitation 2. Phương pháp Trong tác phẩm này, một cánh quạt cánh bốn được mô hình hóa và được phân tích các đặc tính nước mở và điểm cavitation khi thành lập. Các cánh quạt được mô hình hóa trong CATIA V5 R17 như thể hiện trong hình 1. fairing mũ và trục được bổ sung vào các cánh quạt để thực hiện các phân tích chất lỏng. Các phân tích chất lỏng được thực hiện bằng cách sử dụng chung mục đích CFD phần mềm thạo 6.3.26 .Các đầu vào được xem xét ở một khoảng cách 3D (trong đó D là đường kính của chân vịt) từ giữa những hợp âm của phần gốc. Outlet được xem ở khoảng cách 4D từ cùng một điểm ở hạ lưu. Trong phạm vi của hướng xuyên tâm được coi là lên tới khoảng cách 4D từ trục của trung tâm. Máy bay ngoại vi này được gọi là trường xa ranh giới. Tất cả các điều kiện biên được thể hiện trong hình 2. Hình 1. Bốn cánh quạt cánh. Các lưới này được tạo ra với ICEM CFD trong một cách mà tế bào kích thước gần tường lưỡi nhỏ và tăng về phía bên ngoài biên giới. Năm lớp lăng trụ được trồng trên bề mặt của lưỡi, trung tâm và trục vào tài khoản cho các lớp biên như thể hiện trong hình 2. Hình 2. mesh miền chất lỏng áp suất thu được từ phân tích chất lỏng được ánh xạ tới cấu trúc để phân tích tĩnh nơi trong biến dạng cấu hình có thể được thu được. Phân tích chất lỏng được thực hiện một lần nữa trên biến dạng cấu hình để có được sự phân bố áp lực mới trên lưỡi. Quá trình này được lặp lại cho đến khi hội tụ được thực hiện, tức là sự khác biệt là KQ giữa hai lần lặp liên tiếp là ít hơn 5%. Sự tương tác cấu trúc chất lỏng được thực hiện như trong các hình sau 3. Hình 3. tương tác cấu trúc dòng chảy chất lỏng-biểu đồ. 3. Kết quả và thảo luận 3.1Metallic cánh quạt Các điều kiện hoạt động cho các phân tích được thực hiện như sau: áp suất vận hành được thực hiện như là 14000Pa tương ứng với một độ sâu 1.42m trong nước. Áp suất hơi được thực hiện như là 5000 Pa tương ứng với 330C nước. Vận tốc trước được giữ không đổi ở 3.83m / s và tốc độ quay của cánh quạt là đa dạng trên một phạm vi của các hệ số trước. Các nước mở đặc điểm được trình bày trong bảng 1, và được vẽ trong hình 4. Bảng 1: Đặc điểm nước mở Tốc độ (rpm) J lực đẩy (T), N Torque (Q) Nm KT 10KQ hiệu quả 'η' 1080 1,038 38,11 2,03 0,067 0,173 0,636 1200 0,934 90,51 3,88 0,128 0,268 0,711 1260 0,890 119,6 4,89 0,154 0,306 0,710 1320 0,849 150,77 5,98 0,176 0,341 0,699 1500 0,747 257,28 9,67 0,233 0,427 0,649 1600 0,701 324,92 12,01 0,259 0,466 0,619 1700 0,659 398,57 14,55 0,281 0,501 0,590 1800 0,623 498,17 17,29 0,313 0,531 0,586 1900 0,590 563,64 20,24 0,318 0,557 0,536 2000 0,560 654,91 23,38 0,334 0,581 0,513 2100 0,534 751,91 26,71 0,348 0,602 0,491 22