基于CFD水下助力推进器的阻力特性研究

在水下助力推进器动力系统的设计过程中,需要设计与水下航速相对应的动力参数。由于水下推进器航速的不同,以及推进器外形结构的复杂,推进器在水下受到的阻力大小也不相同,传统的经验和计算方法并不能满足的设计要求。论文采用计算流体动力学(CFD)对不同航速下推进器的阻力及流场进行数值模拟分析,CFD仿真结果仿真得到了不同航速下推进器受到的阻力以及流场的分布,为推进器动力系统和外形的设计提供了可靠的设计参数和依据。     

无人自治水下航行器外形及推进系统优化设计

无人自治水下航行器(AUV)的航程直接影响了其执行水下调查任务的能力,提高航程的关键在于减小其外形阻力及提高推进系统效率。根据航行器Myring外形的曲线方程及阻力求解公式,通过程序编写对不同外形参数下AUV的阻力进行迭代求解,获得了优化的低阻力外形;并根据AUV周围的流场结构,利用升力线理论设计了适用于无人自治水下航行器的高效率螺旋桨叶型。最后提出与螺旋桨相匹配电机的选择方案,以保证整个推进系统的效率最优。通过理论分析计算与工程实践相结合的方式,为中、小型大航程Myring外形AUV的阻力预报、艇型及推进系统设计提供了参考。     

基于FLUENT的仿生机器鱼壳体结构设计与优化

为得到阻力性能较好的机器鱼壳体结构参数,先通过二维流场仿真确定了壳体轮廓方程,应用ICEM CFD建立了三维流场结构化网格模型,对椭圆加抛物线的线型回转体进行了FLUENT仿真。重点研究了壳体尺寸参数变化对形体阻力的影响。结果表明,椭圆与抛物线外形的壳体行进阻力相对较小; 相同雷诺数下,最大截面直径越大,形体行进阻力越大; 最大截面距前端约一半体长时,形体具有最小行进阻力,并根据仿真结果设计研制了机器鱼壳体外形。     

基于遗传算法的自治水下机器人水动力参数辨识方法

针对传统确定自治水下机器人(Autonomous underwater vehicle,AUV)水动力参数试验和理论计算的困难性及以往辨识方法优化结果趋于局部最优解的缺点,提出一种基于遗传算法的AUV水动力参数辨识方法,该方法不受参数初值选取的影响,具有较好的鲁棒性和全局寻优特性,可为AUV运动控制、状态预报及控制系统开发等提供动力学模型。针对开架式AUV原型样机CRanger-01,在对其进行动力学建模分析的基础上,利用该方法对其水平面运动水动力参数进行辨识,得出了CRanger-01的19个水平面水动力参数,与实际值进行比较后,辨识误差在允许范围之内。通过运动仿真对模型进行验证,结果表明该算法能有效辨识AUV水动力参数,可为工程实践提供参考依据。     

基于计算流体动力学的两栖车辆水动力特性数值计算

应用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)理论,建立某型两栖车模型带自由表面粘性绕流场的数学模型,阐述求解的数值计算方法.采用RNG κ-ε湍流模型、流体体积法(volume of fluid,VOF)和压力隐式算子分割(Pressure implicit with splitting ofoperators,PISO)算法,运用FLUENT软件对车体绕流场进行三维瞬态数值计算,得到绕流场的速度与压力分布、阻力和兴波特性,并结合相关试验数据验证了数值方法的正确性,解决了以往由于忽略兴波特性导致数值计算结果随航速提高误差不断增大的问题.在此基础上,对该两栖车外形提出了优化方案,计算分析车体首、尾端切角及车轮不同收、放状态对绕流场的影响.计算结果表明,两栖车改进后的水动力性能有了较大改善,航速10 km/h时,减阻效果可达原车总阻力的51.2%,为减阻提速的研究提供了一定的参考.     

涡轮螺旋桨动力飞机桨发匹配性能仿真研究

基于螺旋桨片条理论和航空发动机热力循环原理分别建立了螺旋桨性能和涡桨发动机性能仿真模型。在此基础上,基于飞行器需用推力建立了螺旋桨巡航阶段桨发匹配优化模型,提出了一种计算某一匹配推力系数下螺旋桨效率和进距比关系曲线的方法,并设计了桨发匹配优化方案。针对某型涡桨动力飞机,开展了巡航剖面桨发匹配优化。结果表明:相比于原来的巡航剖面,优化后的巡航剖面飞机巡航航程提高了13%,显著地提升了巡航性能。     

静水环境船模自航试验数值模拟分析

船舶在静水环境中的快速性研究需要对主船体静水阻力、螺旋桨敞水特性、船体航行姿态等进行综合分析，船模自航试验是研究船舶快速性的重要手段。基于计算流体力学（CFD）方法，对船舶自航试验开展数值模拟与分析，采用体积力模型计算了某螺旋桨敞水特性曲线，计算了某船模型在静水中的自航性能。通过数值模拟，得到了螺旋桨推力系数、螺旋桨扭矩系数等自航参数以及船体阻力、姿态等，分析了船体模型在不同航行状态下的船体快速性。     

基于人工侧线的履带装备水阻力计算方法

针对水下装备的水阻力无法实时测量的问题，提出了一种基于人工侧线的履带装备水阻力计算方法。通过履带装备模型的人工侧线系统，提取不同来流速度和来流角度的传感器压力值，应用压力值的分布规律对履带装备模型的局部流场信息进行感知。通过履带装备模型水阻力拘束实验结合计算流体动力学（CFD）仿真的方式对水阻力系数进行辨识，建立履带装备模型的迎流面外形与黏性水阻力系数的函数关系。将人工侧线的流场感知结果作为输入，实时计算履带装备模型的水阻力。履带装备模型的人工侧线和水动力验证结果表明，人工侧线的压力分布特性可以有效地识别流场的来流速度和来流角度，履带装备模型的水阻力计算误差在工程应用可接受范围内。     

基于Simulink的船机桨网匹配建模与仿真

首先阐述了船舶机桨网匹配的特性,然后应用Simulink建立了机桨配合的数学模型,对渔船运行过程中起动、自航、停车与倒车工况下的螺旋桨动态负载特性进行了仿真,同时基于上述模型进行了渔船以自航为设计工况下推力阻力特性分析,为渔船多工况工作下的船机桨网的匹配仿真研究提供了基础。     

基于CFD的螺旋桨敞水性能数值分析与验证

根据螺旋桨的投影原理及其型值参数,建立螺旋桨的三维模型。运用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)理论,采用分区混合网格方案,结合雷诺时均纳维斯托克斯(Reynolds-averagednavier-stokes,RANS)方程和三种不同的湍流模型对螺旋桨三维粘性流动进行数值模拟。所采用的网格划分方法具有网格数量少、质量高的特点。计算结果得到螺旋桨的推力系数、转矩系数以及尾流场的速度、压力分布等水动力特性参数,预报值与试验数据吻合较好,验证了数值方法的正确性,且说明雷诺应力模型(Reynolds stress model,RSM)这种湍流模型更适合螺旋桨粘性流场的数值计算,具有较高的预报精度,为复杂旋转机械粘性流场计算中湍流模式的选取提供参考意见。通过对螺旋桨敞水性能的分析,得到螺旋桨粘性流动所特有的流动分离、梢涡的形成与结构以及尾流场等一些重要现象和特征,为螺旋桨噪声、振动的研究和新型高效推进器的设计提供理论指导和技术支持。     

可调距螺旋桨桨毂结合面有限元分析

全回转推进器的可调距螺旋桨工作时,桨毂和桨叶法兰之间使用被动压缩变形的O型圈进行密封,其间隙大时O型圈压缩量小可能泄漏;桨毂和曲柄销盘之间的摩擦压力和接触应力影响调距的灵敏性及磨损程度。通过在ANSYS Workbench软件中建立桨毂、桨叶、法兰和曲柄销盘的有限元模型,仿真模拟螺旋桨在不同预紧力、温度、离心力以及调距时装配间隙及摩擦力的变化,研究分析各工况下间隙和摩擦力的分布规律,得出螺旋桨的最佳服役状态,并为服役寿命计算提供数据支持。     

船舶纵向运动水动力参数模型的建立及分析

针对船舶在海上运动的全天候情况,在分析442T水面舰艇水动力参数的基础上,提出了一种建立船舶纵向运动水动力参数模型的方法.基于船模水池实验,依据切片理论得到典型海况下的水动力参数,采用最小二乘法和插值法建立船舶纵向运动全天候水动力参数模型并进行仿真研究.结果表明该模型合理并且实用;该模型可实时在线的计算出船舶在任何航向、航速及海情下的且与频率无关的水动力参数,从而构造出船舶纵向运动控制模型.     

气动推进方式在微型潜艇上的应用

根据某型微型潜艇的动力参数要求,计算并选择合适的气动马达、高压气瓶和减压阀等,利用Matlab/Simulink仿真软件建立了高压气瓶、气动马达、减压阀、螺旋桨以及潜艇阻力等的仿真模型。经过仿真计算得到该微型潜艇的水下航速及其加速度,以及螺旋桨转速、推力和转矩等一系列数据。仿真结果表明,气动推进方式能够为该艇提供满足要求的水下航速,可用于微型潜艇的推进系统。     

基于工业废油场的螺旋搅拌桨结构设计及性能研究

针对螺旋搅拌桨的结构特点,在确定螺距比、盘面比和翼剖面形状等形状参数基础上,建立了螺旋搅拌桨的三维实体模型。借助Fluent软件,建立了螺旋搅拌反应器的三维流场模型,应用动参考系模型迭代求解。数值模拟了转速40r/min条件下,螺旋搅拌桨在工业废油场中的表面压强及流场速度分布。根据模拟得到的螺旋搅拌桨表面压强分布,应用ANSYS对螺旋搅拌桨进行了静力学分析,验证了结构的可靠性,为该螺旋搅拌桨的进一步性能优化提供了理论依据。     

欠驱动AUV路径跟踪反步滑模控制

水平面路径跟踪是自治水下机器人(AUV)的关键技术之一,但是AUV运动方程的非线性、耦合性、水动力参数的时变性以及外部干扰都给AUV的运动控制增加了难度。应用反步法(Backstepping)设计了欠驱动AUV水平面路径跟踪滑模控制器,并利用微分器对未知状态和不确定项进行了估计。分别在静水、海流及水动力参数摄动的环境下进行了仿真,仿真结果表明该控制器的控制效果和鲁棒性都比较好。     

CFD在"机电一体化"导管桨性能分析及优化设计中的应用

将计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)应用于机电一体化导管桨水动力性能分析和优化设计的全过程。对某后置定子式导管推进器敞水性能进行计算,在大范围进速系数下计算推力系数和力矩系数均与试验值吻合良好,检验计算方法的有效性。对初始设计导管桨水动力性能采用同样的方法进行计算,包括从流体力学的角度计算确定导管的主要尺寸,并结合网格类型和网格密度的影响分析了计算结果的有效性,分析设计工况下未缠绕线圈的环对间隙流场特征和导管、桨以及整体水动力性能的影响,提出将环变短变厚及相应改变叶片型值的改进设计思路,以改善间隙流动,提高敞水效率。对再设计导管桨设计工况和非设计工况性能进行计算,将环表面压力分布和导管桨推进性能与初始桨进行了比较,并利用水动力试验值再次检验了计算结果。结果表明:两次利用试验值校验计算值均吻合良好,说明将CFD用于导管推进器初始设计和分析是有效的。间隙径向距离大,间隙内泄压和局部滞止流动区域范围也大;环轴向距离长,环两端的间隙内流动旋涡程度也大。环的存在对导管桨导管产生推力是有利的,但对叶片产生推力是不利的,使导管桨敞水效率降低。再设计导管桨桨的推力系数比初始设计导...     

不同转速下微型推进器水动力特性数值研究

微型喷水推进器是一种利用喷射水流产生的反作用力来驱动设备前进的推进器。为了分析推进器转速对其水动力特性的影响,基于k-ε模型对微型推进器在2 000,2 500,3 000,3 500,4 000 r/min 5个转速下全流场进行数值模拟。利用数理统计学中的最小二乘法等方法对推进器的推力、功率等水动力特性与转速的关系进行分析。结果显示:推力与转速的二次方成正比,功率与转速的三次方成正比;叶轮的导边部分受力和流动损失最大,尾流区存在一对旋转方向相反的非对称旋涡,且强度随着转速增大而增大。本文为微型推进器的结构设计和优化提供了参考和理论基础。     

双速比拖网渔船机桨网匹配动态特性研究

针对拖网渔船在拖网工况下主机和螺旋桨匹配工作点发生显著变化,渔船变工况动态特性影响渔船运行可靠性和经济性的问题,对双速比渔船在正常航行工况和拖网工况下的航速、扭矩、功率等动态特性进行了研究。基于船机桨网匹配理论模型,通过对螺旋桨特性曲线进行数值拟合,构建了适合数字仿真研究的Chebyshev多项式解析形式,建立了基于AMESim的双速比拖网渔船机桨网匹配数学模型,对双速比渔船在多工况下的运行特性进行了仿真研究。研究结果表明:双速比推进方式能够使主机在拖网工况时维持额定转速的状态下降低主机扭矩和功率,有效地提高动力系统的可靠性和经济性,基于AMESim的船机桨网匹配建模仿真研究结果与实船运行情况十分接近。     

半转叶轮仿生推进器及制动力与力矩的计算

半转叶轮仿生推进器是基于半转机构实现韦斯-福(Weis-Fogh)效应的仿生原理构建的新型船舶推进器.文中介绍了推进器的构成及其不同于螺旋桨推进器的推力原理,通过对其叶片进行速度和负载分析,求出在制动这一特殊工况下的制动力、力矩及系统运动方程.     

环驱式集成电机推进器定常水动力性能CFD分析

为了提高水下航行器性能,文中利用商用CFD软件ANSYSCFX对某环驱式集成电机推进器水动力性能进行分析,基于SSTk-ω湍流模型,建立了包括控制方程、计算域、网格生成、边界条件在内的集成电机推进器三维流场数学模型。给出环驱式集成电机推进器敞水特性规律,计算结果显示进速系数为0.9时,敞水效率可以到达58.32%。