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三维水翼梢涡流场数值研究
摘要：
本文基于计算流体力学理论，通过数值模拟的方法对三维水翼梢涡场进行了研究。采用Fluent计算软件，通过建立三维计算模型对梢涡流场进行数值模拟，得出了不同梢涡半径和流速条件下的流场特性，分析了梢涡流场对水翼推进性能的影响。结果表明，梢涡流场对水翼推进性能具有明显的影响，随着梢涡半径的增大，流阻力也随之增加。
关键词：三维水翼；梢涡流场；数值模拟；流阻力
引言：
水翼是一种在水体中进行运动的机构，具有较高的推进效率和稳定性，因此被广泛应用于水上交通、水下探测等领域。然而，在水翼的运动过程中，由于涡流的产生和传输，将会产生一定的流阻力，影响水翼的推进性能。
梢涡作为一种重要的涡流现象，是在水翼离散化后产生的尾部旋涡，其大小和形状随水翼的尺寸和速度等因素而变化。因此，研究水翼梢涡流场对水翼推进性能的影响，对提高水翼的设计和性能具有重要的意义。
本文基于计算流体力学理论，通过数值模拟的方法对三维水翼梢涡场进行研究，以期为水翼的设计和性能提高提供参考依据。
方法：
数值模拟计算中所用的计算软件为Fluent17.0，采用有限体积法和RANS模型分别对三维水翼梢涡流场进行数值计算。在计算过程中，考虑缩放比例，将翼展为2m，弦长为0.6m，梢圆直径分别取0.04m、0.08m、0.12m。使用香草网格对计算区域进行离散化，在梢涡区域和周围流场区域采用不同的网格密度，以保证计算精度和计算效率的平衡。
计算中，设置不同流速和攻角条件，其中，流速分别为1.5m/s、2.0m/s、2.5m/s；攻角分别为0度、10度、20度。通过计算模拟得出了不同梢涡半径和流速条件下的梢涡流场特性，分析了梢涡流场对水翼推进性能的影响。
结果与分析：
通过计算模拟，得到了不同梢涡半径和流速条件下的梢涡流场特性，并对其进行了分析。结果表明，在不同流速下，梢涡半径大小影响着流场的结构和流动特性。随着梢涡半径的增大，流阻力也随之增加。同时，攻角的改变也会影响梢涡流场的形态和发展过程。
具体分析如下：
（1）不同梢涡半径下的流阻力特性
当流速为1.5m/s时，由于其较小的流速，落后涡和梢涡大小较小，且梢涡流场分布范围较小，因此在阻力方面对水翼的影响较小。当梢涡半径增加到0.08m时，梢涡流场的分布范围扩大，流动状态更为复杂，由此带来的摩阻增加使得水翼的阻力增加。当梢涡半径进一步增加时，由于流动状态更为复杂，梢圆处涡轮的涡核被拉大，流阻力进一步增加。
（2）不同攻角对梢涡流场的影响
在不同的攻角下，梢涡流场的形态和发展过程也不同。当攻角为0度时，水翼梢涡流场的分布范围较小，流动状态相对简单，阻力较小。当攻角为10度时，梢涡流场的分布范围扩大，随着攻角的增加，梢涡流场变得更为复杂，阻力进一步增加。当攻角为20度时，梢涡流场分布范围更大，阻力进一步增加，随着攻角继续增加，梢涡所带来的压力增大，流阻力也随之增加。
结论：
本文基于计算流体力学理论，通过数值模拟对三维水翼梢涡流场进行了研究，分析了梢涡流场对水翼推进性能的影响。结果表明，梢涡流场对水翼推进性能具有明显的影响，随着梢涡半径的增大，流阻力也随之增加。同时，攻角的改变也会影响梢涡流场的形态和发展过程。
因此，在水翼的设计和性能优化过程中，需要充分考虑梢涡流场对水翼的影响，通过优化水翼的几何结构、改变运动状态等措施，减小梢涡流场的影响，从而提高水翼的推进性能。
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