导管桨水动力特性的数值研究

为了研究导管桨的推力、转矩和效率等关键水动力参数与进速系数之间的关系,本文采用计算流体力学技术(computational fluid dynamics,CFD)分析导管对螺旋桨水动力特性的影响。在建立导管桨的计算模型时,采用了全结构化网格技术,螺旋桨和导管之间的相对运动通过运动参考系(moving reference frame,MRF)方法实现。本文以JD7704+Ka4-55导管桨为例,分析其定常水动力性能,用试验结果对数值计算结果进行了初步验证,进而研究了不同导管长度和叶稍间距时导管桨的水动力特性,并探讨了斜流对导管桨推力、转矩和效率的影响。结果表明:导管桨在低进速下由导管所产生的推力会有较大提升,导管的存在能够显著减小斜流中螺旋桨推力和转矩的脉动。     

不对称导管对船后桨空化性能的影响

不对称导管作为节能附体的一种,研究其节能机理在现在船舶工业中具有重要意义。通过对是否加装不对称导管的船-桨一体化模型的水动力、空化进行数值模拟,研究不对称导管对船后桨空化性能的影响。研究中选取了SST k-ω湍流模型模拟流场中的流动情况,采用Schnerr-Sauer空化模型模拟船后桨的空化。通过E779A螺旋桨空化的数值模拟与试验结果的对比,验证空化模型和数值方法的准确性。对比分析了有无不对称导管的船后桨的空化性能。计算结果表明:加装不对称导管后,船后桨旋转一周内桨叶上的单位推力空化面积变化更小,空化分布更加均匀,船后桨的空化性能得到了较大的改善。     

环肋导管桨推进性能分析

针对常规螺旋桨或导管螺旋桨旋转时水流漩涡运动引起的船舶推进系统能量损失，本文提出一种环肋状结构的33+Kd5-100导管螺旋桨形式用以回收利用该部分能量。基于计算流体力学理论，对导管螺旋桨内壁后半段构造横剖面为三角形的螺旋状环肋结构采用多分区混合型网格划分方法和移动参考坐标系方法，并对其水动力性能与节能效果进行计算评估。结果表明：环肋导管桨的推力系数和扭矩系数相较于常规导管桨能够获得明显提升；在高进速系数推进时，环肋导管桨在推力系数扭矩系数和效率上均有不同幅度的提高；在低进速系数时其推进性能不如常规导管桨。     

自由状态冰对螺旋桨水动力性能的影响

为了研究自由状态冰条件下的冰桨非接触干扰,本文采用重叠网格与流体-固体相互作用方法分别对冰桨非接触模型中冰块位移以及螺旋桨水动力性能进行了模拟,与实验结果的对比证明了该方法的可行性。研究发现:自由状态冰后面存在"加速区"与"阻塞区",随着冰块的靠近,阻塞区对螺旋桨的影响增大;随进速系数的增加,螺旋桨的推力系数和扭矩系数都会下降。     

螺旋桨尾流场的数值分析

为了研究螺旋桨尾流场的分布规律,用数值方法计算了螺旋桨的扰动速度.在质量守恒定理和动量守恒定理的基础上建立不可压缩流体的控制方程.在数值计算过程中,采用了湍流模型和SIMPLEC算法,分析了螺旋桨的推力、扭矩以及表面压力分布情况.对螺旋桨的尾流场进行了数值计算,给出了在不同进速时螺旋桨诱导的径向、周向以及轴向诱导速度.分析了螺旋桨诱导速度的分布规律及其和进速系数之间的关系.从计算结果可以看出,进速系数越大,螺旋桨自身形状对其诱导流场的影响越大;进速系数越小,螺旋桨转速对其诱导速度影响越大.     

连续摆动吊舱推进器水动力性能数值模拟

为了探讨吊舱推进器瞬时回转工况中的水动力性能,本文使用RANS方法,采用了SST k-ω湍流模型对吊舱推进器所受载荷进行研究。螺旋桨模型选用右旋四叶桨,计算域使用切割体网格生成器对网格进行划分。吊舱推进器的运动采用了滑移网格的方法实现连续摆动;探讨了不同进速系数下的螺旋桨载荷特性,并且比较了吊舱推进器在瞬时回转工况中和稳定斜流工况下的水动力性能。数值模拟结果表明:与稳定斜流工况下相比,吊舱推进器在从左舷转向右舷的过程中推力系数更大。随着斜流角的增加,瞬时工况和稳定工况中下吊舱推进器所受载荷变化趋势一致。     

桨前自由状态冰的受力和运动轨迹

为了更加真实地模拟冰的运动,本文构建了一种冰桨干扰模型,利用重叠网格技术结合DFBI运动模型,计算了无约束状态下冰桨的相互干扰情况,分析了水下冰在螺旋桨抽吸作用下的受力大小,在此基础上得出了冰块的运动轨迹。计算时,通过控制桨的转速和冰的相对位置来达到多工况下的求解。根据计算结果分析得出:由于螺旋桨的抽吸作用,冰块在各个方向上的受力改变量峰值均出现在桨盘面处;同时冰在相同前进速度下,进速系数越大,冰桨发生碰撞的概率越高。     

桨前自由状态冰的受力和运动轨迹

为了更加真实地模拟冰的运动,本文构建了一种冰桨干扰模型,利用重叠网格技术结合DFBI运动模型,计算了无约束状态下冰桨的相互干扰情况,分析了水下冰在螺旋桨抽吸作用下的受力大小,在此基础上得出了冰块的运动轨迹。计算时,通过控制桨的转速和冰的相对位置来达到多工况下的求解。根据计算结果分析得出:由于螺旋桨的抽吸作用,冰块在各个方向上的受力改变量峰值均出现在桨盘面处;同时冰在相同前进速度下,进速系数越大,冰桨发生碰撞的概率越高。     

桨前自由状态冰的受力和运动轨迹

为了更加真实地模拟冰的运动,本文构建了一种冰桨干扰模型,利用重叠网格技术结合DFBI运动模型,计算了无约束状态下冰桨的相互干扰情况,分析了水下冰在螺旋桨抽吸作用下的受力大小,在此基础上得出了冰块的运动轨迹。计算时,通过控制桨的转速和冰的相对位置来达到多工况下的求解。根据计算结果分析得出:由于螺旋桨的抽吸作用,冰块在各个方向上的受力改变量峰值均出现在桨盘面处;同时冰在相同前进速度下,进速系数越大,冰桨发生碰撞的概率越高。     

基于代理模型方法的串列泵优化设计

针对叶轮机械传统优化设计周期长、优化效率低等不足,提出了一种基于代理模型的优化设计方法,并应用于串列泵的优化设计,分析了关键设计参数对串列泵性能的影响。选择首、次级叶轮叶片安放角和相位角作为优化参数,选择效率和最小轴向截面平均压力系数作为优化设计目标函数,用来表示串列泵的外特性和空化特性。采用不同的方法建立代理模型,并采用敏感度分析方法和Pareto front方法进行参数影响分析和最优点的选取。采用数值计算的方法对优化后的串列泵外特性和空化特性进行验证,得到结论如下:提出的方法可以较好地应用于串列泵的优化设计,优化结果表明串列泵设计流量附近的效率和空化性能均得到提升。首、次级叶轮相位角对串列泵性能影响较小;首、次级叶轮叶片安放角对串列泵效率的敏感度之比和设计的载荷之比相同,首级叶轮叶片安放角是串列泵的空化特性的主要影响因素。     

不同湍流模型在螺旋桨水动力性能计算中的应用与比较

为了研究不同湍流模型在螺旋桨水动力性能预报中的适用性,运用计算流体力学软件对粘性流场中螺旋桨的敞水性能进行了计算研究.分别采用标准模型k-ε、RNGk-ε模型和雷诺应力方程模型(RSM)模拟了敞水螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数等.由3种湍流模型的预报结果与试验值的对比得出:标准模型对螺旋桨水动力性能的数值预报存在明显的缺陷;RNGk-ε模型相对于标准k-ε模型有所改进,但这种改进仍然没有抛弃基于涡粘性假设的基础,对预报精度的改进是有限的;而RSM模型完全抛弃了涡粘性假设,完全求解雷诺应力的微分输运方程,并且考虑了壁面对雷诺应力分布的影响,因此具有较其他2种模型更强的模拟能力.     

桨前自由状态冰的受力和运动轨迹

为了模拟冰桨相互作用下的冰桨碰撞情况,本文构建了一种冰桨干扰模型。通过利用重叠网格技术结合DFBI运动模型,计算无约束状态下冰桨的相互干扰情况,分析了水下冰在螺旋桨抽吸作用下的受力大小,并得出了冰块的运动轨迹。在计算过程中,通过控制桨的转速和冰的相对位置来达到多工况下的求解。根据结果分析得出:由于螺旋桨的抽吸作用,冰块在各个方向上的受力改变量峰值均出现在桨盘面处;同时冰在相同前进速度下,进速系数越大,冰桨发生碰撞的概率越高。本文结论可为冰区螺旋桨设计及校核提供一定参考。     

桨后扭曲舵的理论设计及水动力性能计算

采用面元法计算了螺旋桨与舵之间相互干扰的水动力性能并在此基础上设计出扭曲舵,采用迭代处理计算了螺旋桨与桨后扭曲舵相互干扰的定常水动力性能.在计算面元的影响系数时,应用了Morino导出的解析计算公式,以加快数值的计算速度.分析比较了不同进数系数时,普通舵与扭曲舵的助推效率.对于两者在不同进数系数下的操舵力矩进行了比较,与普通舵相比扭曲舵并未使船舶的操舵力矩恶化.计算结果表明,该设计的扭曲舵与普通舵相比可以产生附加推力,能够吸收螺旋桨的尾流动能起到助推节能的作用,最大助推效率可以达到3%.     

不同空化数下螺旋桨叶片表面空蚀风险分布研究

探究了不同空化数下E779A螺旋桨叶片表面空蚀风险分布及其影响机制。采用大涡模拟（large eddy simulation,LES）方法和ZGB(zwart-gerbera-belamri)空化模型对不同空化数下绕E779A螺旋桨的空化流动进行了数值模拟研究,数值计算结果与实验结果吻合良好,预测的非定常空化形态与实验结果基本一致。在此基础上,基于改进的灰度值法开展了不同空化数下螺旋桨叶片表面空蚀风险研究。结果表明,改进的空蚀风险预报方法可以较好地预报空蚀风险。在其他条件一致的前提下,空化数的降低将使桨叶表面空蚀风险区域的覆盖面积增大,相应的表面空蚀风险强度最大值也将逐渐增加,桨叶表面中高空蚀风险覆盖面积随之增大。     

导管桨周围流场的数值模拟

采用基于RANS方程的雷诺应力模型(EARSM)对导管桨的敞水性能及周围流场进行了数值计算,计算网格采用全结构化网格,网格的划分考虑了导管与桨叶间隙的边界层的影响。在设计进速下,桨叶敞水性能的误差小于2%。对导管桨的周围流场进行了模拟,尤其对导管桨尾部涡系进行了系统研究,计算结果与试验结果吻合较好,说明本文提出的方法可以准确计算导管桨的螺距角,为导管桨的设计及水动力性能预报提供参考。     

DTMB 4119螺旋桨噪声特性的数值模拟

将DTMB 4119型螺旋桨作为研究对象,在敞水和伴流条件下分别计算水动力学特性和非空化噪声声压级. 在多个进速系数下对单桨模型的敞水性能展开验证,与文献实验值比对验证准确性后,引入FW-H声类比方程求解监测点声压及频谱. 结果表明,现有模型可以在多个进速系数下取得较吻合的数值结果;单极子和偶极子噪声频谱在低频段出现显著高于宽带的线谱噪声,频率与桨叶BPF及谐波对应. 在轴向平面内,单极子噪声声压级呈现出8字形的分布特征,偶极子噪声声压级呈现出∞型的指向性分布. 伴流场不会改变单、偶极子总声压级的指向性,但会使得各方向线谱噪声声压级趋于均匀. 在径向平面内,单、偶极子的噪声声压级指向性不明显.     

桨后舵片空泡的分离涡模型模拟及实船舵空泡试验

为深入了解水面高速舰船的舵空化性能,本文采用计算流体力学(CFD)法对考虑船体影响的桨后舵片空泡进行计算,并在国内首次开展了实船舵空泡观测试验。通过对比确定了舵片空泡计算的分离涡模型,研究了螺旋桨和舵空泡发生的先后顺序、舵下端部的空化现象和舵空化的范围,并结合CFD计算和实船试验对不同航速、舵角的舵空泡进行研究,结果表明:在中低海况中的设计航速下,为保持航向航行,水面舰船普通舵表面会先于螺旋桨发生较为严重的片空化现象,且舵面空化范围主要集中在展向0. 1L～0. 6L位置;舵下端部和防腐蚀电极处则先于舵面发生空化。因此,水面高速舰船的普通舵易发生严重空化,而该研究可为研制具有良好抗空化性能的新型舵提供借鉴和参考。     

导管桨内流场及涡特性DES模拟

为研究导管桨内部流动及涡结构组成与分布特性,本文基于分离涡模拟(DES)方法对导管桨内流场及涡特性进行模拟,数值模拟为三维黏性、不可压缩的非稳态计算,采用滑移网格技术实现导管桨的敞水性能试验,应用体渲染方式展示内流场空间涡结构。导管桨水动力性能计算结果与模型试验吻合良好,数值模拟结果表明:导管内壁区域流动复杂,频域内导管壁面压力脉动在叶频及其倍数处出现连续峰值;分离涡模拟方法能有效模拟导管桨内流场中的剪切层涡、叶梢涡、叶片脱落涡和叶根涡等不同涡结构,导管的存在导致梢涡形态发生变化,涡量更大面积分布于导管内壁,有助于导管回收螺旋桨尾流涡能,以提高推进效率。     

一种新型的螺旋桨滑流激励盘模型的研究方法

根据完整桨叶模型数值计算结果结合动量理论发展出一种新的激励盘模型完成对螺旋桨滑流的数值模拟。使用完整桨叶模型模拟螺旋桨滑流真实流场,计算出螺旋桨滑流流场的各个流动参数。由完整桨叶模型计算结果得出桨盘前后不同位置压差,拟合出满足条件的桨盘压差曲线。将所得压差曲线用于激励盘模型中,完成激励盘模型对螺旋桨滑流流场流动特征的数值模拟方法的研究。计算结果表明,文中所建立的激励盘模型能够模拟出螺旋桨滑流的主要流场特征。     

切削形状冰下螺旋桨诱导轴承力的数值计算

针对冰桨非接触工况下的螺旋桨水动力性能,本文采用重叠网格方法建立了粘性流场中冰桨相互作用下螺旋桨轴承力的数值模拟的模型。计算中流域采用切割体网格,螺旋桨旋转计算域与冰表面计算域之间采用重叠网格进行数据传递,同时对冰桨间隙处进行网格局部加密来保证流场细节捕捉。计算结果表明:与模型试验结果比对,水动力性能误差控制在5%以内,验证了本文计算方法的可行性;桨前切削形状冰的存在会对伴流场产生很大的干扰,螺旋桨轴承力会出现"三阶段"下降的趋势。