基于船-推耦合模型的喷水推进器水动力性能数值分析

船-推相互作用将对喷水推进器的性能产生显著影响，是喷水推进器优化设计中必须考虑的关键问题。该文以某水面快船-喷水推进器系统为研究对象，基于求解RANS方程和SST k-ω湍流模型，分别采用VOF多相流数值方法和多重参考坐标系(MRF)方法，对喷水推进器的敞水性能及其装船后的自航性能开展数值计算。通过对比不同计算工况下的喷水推进器外特性与内部流动特性，分析并总结了船-推相互作用对喷水推进器性能的影响规律和影响机理，结果表明：喷水推进器装船后，将偏向高流量工况运行，且偏移程度与船体所处的航行状态直接相关；自航时的船体运动姿态还能改善喷水推进器进水流道唇部的流动分离现象，提高喷水推进的总体效率。     

喷水推进船负推力减额机理研究

对喷水推进与船体相互作用研究中发现的中高航速推力减额为负值的机理作出了解释.通过求解雷诺时均方程,考虑船体纵倾与吃水变化,以CFD边界条件模拟喷水推进泵吸水与射流作用,数值计算了喷水推进船模自航条件下的流场.着重研究喷水推进改变船后流动状态与船体航态对推力减额的影响.结果表明,与螺旋桨船显著不同的是,喷水推进器向船后空气中喷水,喷射水流不加速船艉流场,喷水推进进流只在低航速加速船艉流场,船体压阻力增加是低航速推力减额为正的主要原因.中高航速喷水推进吸水破坏船底边界层,船体黏性阻力降低是推力减额为负值的主要原因.作用于进水流道的力及产生的埋艏力矩有减小船体吃水与纵倾的趋势,该趋势在高航速更加明显,本文研究结果表明升力与埋艏力矩作用并非推力减额为负的主要原因.     

喷水推进船操纵运动数学建模仿真分析

喷水推进船具有高航速、浅吃水等特点,回转性能优越。该文以喷泵和喷水推进船为研究对象,首先采用称重法,开展喷泵流量标定试验;而后基于裸船体和带四个喷泵的船体,开展水池中约束模平面运动机构模型试验,如斜航运动、横荡运动、摇首运动及自航操舵试验等,获取船体水动力和喷口流量;再采用最小二乘法,回归分析得到相关的水动力导数,建立整体式和分离式操纵运动数学模型,编制喷水推进船的操纵运动程序,数值模拟30°回转运动和10°/10°z形试验,并与外场自由自航模操纵性进行比较。数值模拟结果显示：通过整体式运动数学模型和分离式运动数学方法,战术直径误差在5.5%以内,第一超越角误差为2°左右,这两种方法都能较好地吻合模型试验结果。相较而言,基于整体式运动数学模型的模型试验或CFD数值计算的难度更高且经济成本较大,而在实际工程数值模拟中,基于分离式运动数学模型的数值模拟更容易实施。     

带扭曲舵船舶自航因子数值预报

为研究扭曲舵的节能效果,以标准船模KVLCC2为对象,设计了合适的扭曲舵,进行基于CFD方法的实船自航因子预报。该文首先以带常规舵的船模为对象进行了船-舵模型阻力试验、螺旋桨模型敞水试验和船-桨-舵模型自航试验数值模拟,通过数值结果与试验结果的对比,验证了数值方法的有效性。然后根据螺旋桨尾部流场设计扭曲舵,进行了带扭曲舵的船-舵模型阻力试验和船-桨-舵模型自航试验数值模拟,基于数值模拟结果,分析得到了实船自航因子,并将其与带普通舵的实船自航因子进行比较;结果表明,所设计的扭曲舵可以较好地提高螺旋桨推进效率,使相同航速下的螺旋桨转速降低,达到期望的节能效果。     

动力定位系统中桨-船干扰问题研究

该文研究了静水中动力定位系统推进器的桨-船干扰问题。首先对动力定位系统推进器桨-船干扰的影响因素进行分析,如前桨尾流冲击后桨所造成的桨-桨干扰、柯安达效应以及摩擦损失造成的桨-船干扰等,而后利用数值模拟方法和模型试验重点对推进器方位角的变化所造成的推进器桨-船干扰分析研究。经对比分析,动力定位推进系统中桨-船干扰可造成44%的推力损失,是动力定位推进器安装布置不可忽略的因素。该文的研究对提高动力定位推进系统效率,加强动力定位能力具有重要的意义。     

喷水推进器进流方向对流道内流场的影响数值研究

为研究不同进流方向对喷水推进器进流性能的影响,该文对一种平进口式喷水推进器流道建立数值模型,采用k-?湍流模型封闭流体流动控制方程,通过求解RANS方程,分别得到了在直航、倒航和斜航等不同船舶航行状态下喷水推进器流道中的黏性流场。结果显示,直航条件下的计算结果与试验数据吻合良好,验证了数值模型和数值方法的有效性。并从流道的壁面压力分布、流场均匀性和流动分离三个方面比较和分析了进流方向对流场特征的影响。结果表明,倒航状态下流道内的流场更不均匀,压力更低,更易发生空化和流动分离现象。研究结果可为喷水推进器进水流道的优化设计提供一定的参考。     

喷水推进船模斜拖试验的数值模拟

该文以某带四台喷水推进器的船模为研究对象,采用基于雷诺平均纳维-斯托克斯(Reynolds-averaged Navier-Stokes,RANS)方程的计算流体力学(computationalfluiddynamics,CFD)方法对喷水推进船模在不同漂角下的斜拖试验进行数值模拟。在网格收敛性分析的基础上,对比了三种湍流模型的计算结果后,选择Realizable k-ε模型模拟雷诺应力项,采用多重参考系(multiple reference frame, MRF)方法模拟喷水推进器内叶轮的旋转运动,数值计算得到作用在喷水推进船模上的水动力和力矩,并分析了流场特性。研究结果表明：采用文中数值方法模拟得到的水动力和力矩预报精度较理想;喷水推进器开启时,增大了船体上横向力,并降低了纵向力和转艏力矩;船底尾部表面压力分布、船尾自由面波形和尾流场速度分布等结果进一步显示了喷水推进器对流场的影响;在喷口高速水流的作用下,船尾自由面的波高稍微有所降低。     

喷水推进器数值模拟所需流场控制体的研究

首先,采用CFD方法对喷水推进器进行性能预报与分析,通过数值计算结果与厂商提供数据的对比,表明所用方法和建立的数值模型是可信的.然后,主要研究流场控制体大小对喷水推进器性能预报的影响,即分别从深度、宽度和长度三个维度对喷水推进器CFD模拟所需流场控制体进行调整,对比分析对计算结果的影响.通过分析流量、功率和推力等外特性指标与内部流场速度等物理量的分布,最终确定喷水推进器性能数值预报所需流场控制体的大小.     

高速三体船兴波阻力与片体布局优化研究

本文据线性兴波阻力理论推导了辅船体与主船体水下体积不相等情况下的兴波阻力计算公式，据此以数学船型作为片体对高速三体船片体兴波干扰规律、兴波阻力曲线规律进行了研究，并采用简单枚举与等值线图谱相结合的方法对片体布局优化问题进行了探讨。     

计及航行姿态变化的高速多体船阻力预报

对于高速航行的船舶,由于船体航行姿态变化明显,以该吃水下设计浮态为基准的阻力计算结果并不能准确预报其实际航行阻力.本文针对多体船高速行驶的兴波问题,采用动网格技术实现了基于动力学平衡预报船体航行时姿态变化和阻力计算,研究中就高速行驶的三体船绕流场进行了模拟计算,并和相关实验进行了比较.研究表明动网格技术应用避免了由于船体运动造成流场网格扭曲与计算发散等问题,具有良好的稳定性,该方法充分考虑了船体姿态的影响,对高速多体船的兴波阻力计算预报更为准确.     

限制水域内船后螺旋桨梢涡特性研究

为了探究船舶在限制水域中自航时螺旋桨的工作特性,该文基于商业软件STAR-CCM+,通过求解RANS方程对船舶在限制水域航行进行了数值模拟.首先对船-舵一体阻力、螺旋桨敞水性能和船-桨-舵一体自航进行了验证,证明了数值和网格划分方法的可行性;然后考虑不同的水深和船-岸距离,计算并分析了船舶螺旋桨的水动力和梢涡特性.研究...     

三体船船型分析及兴波干扰的模型试验研究

以本文设计的高速三体船型线为研究对象，分析了三体船船型的特点。应用均匀设计法进行了三体船兴波干扰的模型试验研究，依据试验结果分析了片体位置对三体船兴波干扰的影响，比较了同用途三体船与单体船的阻力性能，并讨论了多体船快速性试验结果的换算问题。     

船艏侧推槽道涡流与水动力性能数值模拟研究

该文基于CFD方法研究了船舶侧推器槽道开孔深度对船体阻力的影响。侧推槽道一般位于船艏,与来流方向垂直。由于流动分离作用,槽道内外会形成旋涡流动,此旋涡流动的稳定性对船体的阻力产生了一定的影响。该文采用RANS方法研究了不同侧推槽道深度下槽道内外旋涡的流动特征,并分析了船体阻力的变化规律。研究表明：当侧推槽道开孔深度与开孔直径比达到0.4时,船体阻力增加超过1%,船体阻力增量达到最大;当继续增加槽道深度时,船体阻力增量下降。通过流场关联性分析也可以发现,槽道内部涡流的稳定性及多涡流间的干扰也是造成船体阻力增加的一个因素。该研究成果可为船体艏部侧推器的槽道设计提供技术参考。     

自由面区域变换法解三体船兴波问题

为求解三体船兴波问题,基于线性自由面条件的势流兴波理论Rankine源方法,利用物理平面与计算平面的转换关系计算自由面上物理量的导数,开发了三体船兴波阻力预报程序.采用该方法和程序,对不同侧体布局的Wigley三体船兴波阻力及波形进行计算,并将计算结果与模型试验结果、其他作者数值计算结果进行比较,验证了该方法对三体船的适用性,表明采用贴水线网格及自由面区域变换法解三体船兴波问题可提高三体船兴波问题求解效率.     

多体船型在静水中的兴波阻力研究

该文利用Michell线性兴波理论,从单体船的波谱函数出发,依据波谱函数的可叠加性推广到多体船,推导了单体船、双体船、三体船、四体船以及五体船的兴波阻力计算公式,给出了各种多体船型兴波干扰成分的研究,并将相关船型的阻力计算结果与试验结果进行了对比,比较表明计算的兴波阻力结果可以反映试验趋势,有效功率比较接近于试验结果,可以为方案论证阶段多体船的方案选优提供依据.     

一种基于CFD的船舶总阻力预报方法

根据船体阻力成因和预报方法的讨论分析,提出了基于CFD理论计算进行实船阻力预报的一种新方法,基于黏性流理论对叠模求解以获得船体黏性阻力,基于理想流体理论直接求解Euler方程获得船体兴波阻力。通过对系列60船型与KCS船型在各航速下船体阻力计算和试验结果的比较表明,该方法计算速度快,经济性好,预报精度满足工程需要,有较强的工程实用性。     

Kelvin源求解船行波及其在总阻力估算上的应用

针对船行波与船体总阻力预报,采用Kelvin源格林函数的远场波动项及其偏导数在水平线段上的解析积分公式计算Wigley船型、S60船型的兴波问题和船体表面速度分布。基于兴波问题所得的速度分布计算船体面元的局部雷诺数和摩擦阻力系数,又根据巴普米尔经验公式估算黏压阻力系数从而进一步求解船舶总阻力系数,对比该文方法所得的船舶总阻力系数和实验测量数据,证明该文的方法可以准确高效地计算船舶总阻力。     

边界层对喷水推进器进水管内流场影响

本文利用CFD通用软件-FLUENT6．1．22模拟了椭圆型平进口喷水推进器进水管内的三维粘性流场;在考虑边界层和不考虑边界层两种情况下,研究了IVR（船速与进水速比）对流场速度分布和压力分布的影响,分析不同IVR下产生空化现象的可能性。在流场的模拟过程中、提供可视化流动细节供设计参考,为喷水推进进水管的设计及进水口的形状优化提供依据。     

限制水域内船-桨-舵一体螺旋桨轴承力数值研究

为了探究浅水及岸壁效应影响下船-桨-舵一体自航时螺旋桨的轴承力,该文通过求解RANS方程,采用计算流体力学商业软件STAR-CCM+,对船-桨-舵一体在限制水域内自航进行了数值模拟。采用滑移网格技术来模拟螺旋桨的旋转,首先对船-舵一体阻力和船-桨-舵一体自航进行了验证,证明了数值和网格划分方法的可行性;然后对无限水域以及不同的受限水域四个工况进行了螺旋桨非定常轴承力的数值模拟。研究表明:随着水深和船-岸距离的同时减小,推力系数K_(Tx)和扭矩系数K_(Qx)均逐渐增大,非定常轴承力系数各分量随时间周期性变化;各系数在频域上脉动频率相同,其中K_(T x)和K_(Qy)的频率脉动峰值波动最大。此外,BPF、2BPF和3BPF脉动幅值随着水深和船-岸距离的减小呈现出不同的变化规律。     

渔政船的阻力计算与预报研究

采用了理论计算和试验的方法,就渔政船各航速下船体阻力进行了计算和船模试验验证。对船体阻力计算结果的压阻力、黏性阻力进行了剥离、分析,与模型试验中获得的剩余阻力等各成分进行了比较和分析。研究表明在湍流黏性理论下计算得到的船模黏性阻力与相应的摩擦阻力相近;层流黏性理论比湍流理论计算耗时短,各速度点的船体压阻力相近;高航速工况下黏性理论计算的船体压阻力与船模试验得到的船体剩余阻力基本一致。基于上述分析,该文对实船阻力预报方法进行了进一步的探讨。