本發(fā)明涉及水下推進裝置，尤其涉及一種螺旋槳打孔方法、帶孔螺旋槳及水下推進裝置。

背景技術(shù)：

1、空化是船舶水下推進系統(tǒng)中常見的一種現(xiàn)象，當(dāng)空化氣泡在低壓區(qū)域形成并隨后的崩潰，會釋放出大量能量，產(chǎn)生高強度的噪聲。這種噪聲不僅影響船舶的操作，還可能對海洋生物產(chǎn)生影響。同時液流中不斷形成、長大的空泡在固體壁面附近頻頻潰滅，推進裝置如螺旋槳壁面就會遭受巨大壓力的反復(fù)沖擊，從而引起材料的疲勞破損甚至表面剝蝕。因此對空化的研究不僅限于軍事和民用船舶，也涉及潛艇、無人潛航器等領(lǐng)域，具有重要的應(yīng)用價值。在水下推進裝置的空化控制手段中，最常用的手段是在旋轉(zhuǎn)機械表面打孔，改變了流場內(nèi)能量的分布規(guī)律，使其分布更加均勻，減少空化可以提高推進裝置的壽命，同時減少空泡破裂噪聲對環(huán)境的影響。

2、現(xiàn)有技術(shù)中，已有學(xué)者對船舶水下推進裝置螺旋槳的葉片打孔進行研究，且有數(shù)值仿真與實驗證明在船舶水下推進裝置表面的打孔可以有效抑制空化的產(chǎn)生，從而減少空泡破裂帶來的噪聲。如在螺旋槳的槳面導(dǎo)邊、隨邊打孔；噴水推進泵的葉輪、導(dǎo)葉打孔；孔的形狀、分布等方向均有學(xué)者嘗試打孔。但綜合來看，目前尚未有學(xué)者總結(jié)出統(tǒng)一的打孔準(zhǔn)則，給予出一種適合水下推進裝置的打孔依據(jù)。

3、因此，急需一種螺旋槳打孔方法，能夠?qū)崿F(xiàn)按照統(tǒng)一的打孔準(zhǔn)則，通過孔徑比、間隙比和區(qū)間比結(jié)合螺旋槳的葉片的半徑大小確定打孔方案，使得螺旋槳能夠有效抑制空化現(xiàn)象。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、有鑒于此，有必要提供一種螺旋槳打孔方法、裝置及推進裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)按照統(tǒng)一的打孔準(zhǔn)則，通過孔徑比、間隙比和區(qū)間比結(jié)合螺旋槳的葉片的半徑大小確定打孔的大小、位置和數(shù)量，對螺旋槳的葉片進行打孔，有效抑制空化現(xiàn)象。

2、為了解決上述技術(shù)問題，一方面，本發(fā)明提供了一種螺旋槳打孔方法，所述螺旋槳打孔方法中的打孔形狀為圓孔，所述方法包括：

3、定義初始孔徑比、初始間隙比和初始區(qū)間比，其中，初始孔徑比為圓孔半徑與螺旋槳的葉片半徑之比，初始間隙比為各打孔孔位的間隙與螺旋槳的葉片半徑之比，初始區(qū)間比為打孔孔位中心到螺旋槳的葉片轉(zhuǎn)軸的距離與圓孔半徑之比；

4、以空泡體積變化量和水動力系數(shù)變化量為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，對所述初始孔徑比、初始間隙比和初始區(qū)間比進行優(yōu)化，得到最優(yōu)孔徑比、最優(yōu)間隙比和最優(yōu)區(qū)間比；

5、根據(jù)所述最優(yōu)孔徑比、最優(yōu)間隙比和最優(yōu)區(qū)間比確定螺旋槳葉片的打孔方案，其中，所述打孔方案包括打孔的圓孔孔徑、圓孔孔位和圓孔數(shù)量。

6、在一種可能實現(xiàn)的方式中，所述初始孔徑比的取值范圍為0.05~0.15；

7、所述初始間隙比的取值范圍為0.5~2；

8、所述初始區(qū)間比的取值范圍根據(jù)螺旋槳的葉片的幾何形狀和螺旋槳的葉片的工況確定。

9、在一種可能實現(xiàn)的方式中，以空泡體積變化量和水動力系數(shù)變化量為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，對所述初始孔徑比、初始間隙比和打孔區(qū)間比進行優(yōu)化，得到最優(yōu)孔徑比、最優(yōu)間隙比和打孔區(qū)間比，包括：

10、基于空化仿真模型，通過仿真實驗得到初始水動力系數(shù)、初始空泡體積分?jǐn)?shù)、空化空泡體積分?jǐn)?shù)和空化水動力系數(shù)；

11、根據(jù)所述初始空泡體積分?jǐn)?shù)與空化空泡體積分?jǐn)?shù)計算空泡體積變化量；

12、根據(jù)所述初始水動力系數(shù)和空化水動力系數(shù)計算水動力系數(shù)變化量；

13、根據(jù)所述空泡體積變化量和水動力系數(shù)變化量調(diào)整所述初始孔徑比、初始間隙比和區(qū)間比的大小，并根據(jù)調(diào)整后的初始孔徑比、初始間隙比和區(qū)間比重新進行空化模擬仿真實現(xiàn)；

14、重復(fù)以上過程，直至所述空泡體積變化量和水動力系數(shù)變化量滿足預(yù)設(shè)閾值，得到最優(yōu)孔徑比、最優(yōu)間隙比和打孔區(qū)間比。

15、在一種可能實現(xiàn)的方式中，基于空化仿真模型，通過仿真實驗得到初始水動力系數(shù)、初始空泡體積分?jǐn)?shù)、空化空泡體積分?jǐn)?shù)和空化水動力系數(shù)，包括：

16、構(gòu)建無孔螺旋槳的無空化仿真模型，通過仿真實驗得到初始水動力系數(shù)；

17、構(gòu)建無孔螺旋槳的空化仿真模型，通過仿真實驗得到初始空泡體積分?jǐn)?shù)；

18、根據(jù)初始孔徑比、初始間隙比和初始區(qū)間比對所述無孔螺旋槳的空化仿真模型進行打孔仿真，通過仿真實驗得到空化空泡體積分?jǐn)?shù)和空化水動力系數(shù)。

19、在一種可能實現(xiàn)的方式中，所述水動力系數(shù)包括推力、扭矩、推力系數(shù)、扭矩系數(shù)和推進效率，根據(jù)初始孔徑比、初始間隙比和初始區(qū)間比對無孔螺旋槳的空化仿真模型進行打孔仿真，通過仿真實驗得到空化空泡體積分?jǐn)?shù)和空化水動力系數(shù)，包括：

20、根據(jù)所述初始孔徑比、初始間隙比和初始區(qū)間比結(jié)合螺旋槳的空化仿真模型中螺旋槳槳葉的參數(shù)確定初始打孔方案；

21、根據(jù)所述初始打孔方案對所述螺旋槳的空化仿真模型中對螺旋槳進行打孔仿真，得到打孔螺旋槳的空化仿真模型，通過仿真實驗獲取第二仿真結(jié)果；

22、從所述第二仿真結(jié)果中提取空化空泡體積分?jǐn)?shù)；

23、根據(jù)所述第二仿真結(jié)果計算空化水動力系數(shù)。

24、在一種可能實現(xiàn)的方式中，所述空泡體積分?jǐn)?shù)包括旋轉(zhuǎn)域空泡體積分?jǐn)?shù)和流體域空泡體積分?jǐn)?shù)；根據(jù)所述初始空泡體積分?jǐn)?shù)與空化空泡體積分?jǐn)?shù)計算空泡體積變化量，包括：

25、將所述空化仿真模型中的水域劃分為旋轉(zhuǎn)域和流體域；

26、計算所述旋轉(zhuǎn)域內(nèi)初始空泡體積分?jǐn)?shù)和空化空泡體積分?jǐn)?shù)的旋轉(zhuǎn)域變化率；

27、計算所述流體域內(nèi)初始空泡體積分?jǐn)?shù)和空化空泡體積分?jǐn)?shù)的流體域變化率；

28、所述旋轉(zhuǎn)域變化率和流體域變化率組成空泡體積變化量。

29、在一種可能實現(xiàn)的方式中，根據(jù)初始水動力系數(shù)和空化水動力系數(shù)計算水動力系數(shù)變化量，包括：

30、根據(jù)所述初始水動力系數(shù)與空化水動力系數(shù)分別計算推力變化量、扭矩變化量、推力系數(shù)變化量、扭矩系數(shù)變化量和推進效率變化量；

31、所述推力變化量、扭矩變化量、推力系數(shù)變化量、扭矩系數(shù)變化量和推進效率變化量組成水動力系數(shù)變化量。

32、在一種可能實現(xiàn)的方式中，根據(jù)所述最優(yōu)孔徑比、最優(yōu)間隙比和最優(yōu)區(qū)間比確定打孔方案，其中，所述打孔方案包括打孔的圓孔孔徑、圓孔孔位和圓孔數(shù)量，包括：

33、根據(jù)所述最優(yōu)孔徑比和待打孔螺旋槳的葉片的半徑，計算打孔的圓孔孔徑；

34、根據(jù)所述最優(yōu)間隙比和待打孔螺旋槳的葉片的半徑，計算相鄰圓孔的間隙；

35、根據(jù)所述最優(yōu)區(qū)間比和待打孔螺旋槳的葉片的半徑，計算圓孔孔心到螺旋槳的葉片轉(zhuǎn)軸的距離；

36、根據(jù)所述相鄰圓孔的間隙和圓孔孔心到螺旋槳的葉片轉(zhuǎn)軸的距離確定圓孔孔位；

37、根據(jù)所述圓孔孔徑、圓孔孔位和打孔區(qū)間確定打孔數(shù)量；

38、所述圓孔孔徑、圓孔孔位和打孔數(shù)量確定螺旋槳葉片的打孔方案。

39、第二方面，本發(fā)明還提供了一種帶孔螺旋槳，所述帶孔螺旋槳包括設(shè)有多個圓孔的槳葉和轉(zhuǎn)軸；

40、其中多個圓孔為根據(jù)上文所述的螺旋槳打孔方法對槳葉進行開孔；

41、所述轉(zhuǎn)軸與多個槳葉連接。

42、第三方面，本發(fā)明還提供一種水下推進裝置，所述水下推進裝置包括上文所述的帶孔螺旋槳。

43、本發(fā)明的有益效果是：首先，定義初始孔徑比、初始間隙比和初始區(qū)間比，其中，初始孔徑比為圓孔半徑與螺旋槳的葉片半徑之比，初始間隙比為各打孔孔位的間隙與螺旋槳的葉片半徑之比，初始區(qū)間比為打孔孔位中心到螺旋槳的葉片轉(zhuǎn)軸的距離與圓孔半徑之比；然后，以空泡體積變化量和水動力系數(shù)變化量為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，對初始孔徑比、初始間隙比和初始區(qū)間比進行優(yōu)化，得到最優(yōu)孔徑比、最優(yōu)間隙比和最優(yōu)區(qū)間比；最后，根據(jù)最優(yōu)孔徑比、最優(yōu)間隙比和最優(yōu)區(qū)間比確定打孔參數(shù)，根據(jù)最優(yōu)孔徑比、最優(yōu)間隙比和最優(yōu)區(qū)間比確定螺旋槳葉片的打孔方案，其中，打孔方案包括打孔的圓孔孔徑、圓孔孔位和圓孔數(shù)量。本發(fā)明通過以空泡體積變化量和水動力系數(shù)變化量為優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)，對孔徑比、間隙比和區(qū)間比進行優(yōu)化，最終得到最優(yōu)的孔徑比、間隙比和區(qū)間比，再根據(jù)最優(yōu)的孔徑比、間隙比和區(qū)間比計算打孔孔徑、打孔孔位和打孔數(shù)量，以此確定螺旋槳葉片的打孔方案，使得螺旋槳能夠有效地抑制空化現(xiàn)象。本發(fā)明為螺旋槳的葉片提供了統(tǒng)一的打孔準(zhǔn)則，通過該打孔準(zhǔn)則對螺旋槳的葉片進行打孔，能夠有效地抑制螺旋槳的空化現(xiàn)象。