喷水推进船获流区流场数值模拟

喷水推进是一种特种推进技术,利用吸入与喷出水流的动量差产生推力。在考察船体对喷水推进系统的作用时,通常需要获取进水口前方获流区的动量通量。利用CFD方法对一艘喷水推进三体船模型的自航性能进行模拟,考察船体纵倾、升沉和自由面的影响。采用流量边界条件法对泵的喷射作用进行简化,可提高计算效率。通过流线确定获流区形状,考察获流区进流的动量、动能和边界层影响系数,并与模型试验结果进行比较。在此基础上,对某四泵喷水推进船获流区流场进行数值模拟,考察进速比和流道进口特征对获流区的影响,为四泵喷水推进船舶的设计提供支撑。     

喷水推进器进水流道流动性能的数值分析

针对喷水推进器进水流道方案,利用CFD软件Fluent对不同流道倾角、唇角半径及形状、斜坡半径下的喷水推进器性能进行数值模拟。通过分析进水流道效率、出流口加权平均角、不均匀系数、唇部驻点位置等,对进水流道的流动性能进行对比分析。结果表明,当进水流道倾斜角取32°、唇角形状取圆弧、唇角半径取3 mm、斜坡半径取1 050 mm、其余参数与原始进水流道的整体参数相同时,进水流道的效率达到94.2%,优于原始进水流道的效率80.4%。     

喷水推进船航速预报的动量通量试验技术发展现状

喷水推进是与中高速船舶相匹配的一种具有时代特征的先进推进方式,显著提高了船舶的快速性与操纵性,广泛应用于国内外高性能船舶。开展基于动量通量的试验技术研究,可有效提高喷水推进船舶航速预报精度,促进喷水推进技术快速发展与应用。本文在梳理喷水推进船模自航试验研究成果的基础上,分析了当今国际上喷水推进自航试验主流方法"动量通量法"的原理与关键技术以及应用状况,对航速预报精度有显著影响的流量、进出口动量通量的测量方法以及喷水推进装置对船体的作用等参数的测量方法进行了归纳,在此基础上针对国内外的差距,提出了我国发展相关技术的建议。     

喷水推进船舶边界层影响系数的计算方法研究

针对喷水推进船舶的边界层影响系数难以计算的问题,提出了一种基于积分运算的边界层影响系数计算方法。将边界层影响系数作为变量处理,通过求解推进泵吸收功率与发动机功率的平衡方程,得到了喷水推进系统的流量,基于流量的连续性定理,计算出喷水推进系统的有效进流厚度。以有效进流厚度为边界条件进行积分运算,最终推导了边界层影响系数的解析计算表达式。通过对某型喷水推进船舶的边界层影响系数进行校核,并通过仿真得到了边界层影响系数在一定推进功率下随速度的变化规律,验证了所提方法的正确性和有效性。     

流场控制体对喷水推进器性能预报影响的研究

为准确预报喷水推进器设计工况与非设计工况的水动力性能,采用CFD方法对喷水推进器性能预报所需流场控制体进行了研究.在验证计算方法和数值模型可信的基础上,通过对比不同流场控制体的计算结果,分析了流场控制体对喷水推进器性能预报的影响.首先,确定了设计工况下流场控制体的大小;然后,对非设计工况下流场控制体的选取进行了分析讨论.结果表明,非设计工况下流场控制体的大小对喷水推进器性能预报的影响比设计工况大,而且非设计工况下所需流场控制体要大于设计工况时的情况.     

斜流工况下喷水推进系统流场控制体理论模型研究

喷水推进船舶在转向运动时推进器的进流条件与直航状态存在明显差异。基于RANS方法对斜流角在0°～30°范围喷水推进系统的进流和推力特性进行数值模拟。研究表明：随着斜流角的增加,半椭圆形进口获流区的宽度增大而厚度减小,斜流工况下边界层影响系数近似等于直航工况下边界层影响系数与斜流角余弦的乘积。在非空化条件下,当喷水推进船舶作转向运动时,进口流道效率降低是推进器性能下降的主要原因。基于数值模拟结果,建立了斜流工况下喷水推进系统流场控制体理论模型,对经过推进系统的水流进行速度修正和船体边界层修正,提出了斜流工况下推力预估公式并进行了验证。     

限制水域下喷水推进器水动力特性研究

本研究采用数值模拟方法对无限水域和限制水域中喷水推进装置的水动力特性进行对比分析,开展不同水深条件下喷水推进器进流特性、进口流道效率和推进泵水力特性研究,并据此评估开式循环水槽环境下水槽侧壁和底面限制对喷水推进装置水动力性能的影响。数值计算结果表明：限制水域下喷水推进船底部和水槽底面间水流因阻塞效应使速度增加产生回流,水槽侧壁对自由液面兴波产生反射,随着水深减小,流道进口获流区平均轴向速度明显增加;不同水深吃水比下,进水流道出口非均匀度增加,但进口流道效率变化不大;相比于无限水域条件,限制水域中推进泵流量系数、扬程系数和泵效率的预报结果偏高1%～2%。     

喷水推进器空化监测技术研究

由于喷水推进船良好的快速性、机动性、高效率和低噪声,喷水推进技术在现代舰船上的应用越来越广泛.但喷水推进器在运行过程中容易进入空化区,影响其推进性能和使用寿命.建立空化监测系统是目前解决这一问题最有效的方法.喷水推进器的空化特性同螺旋桨的有较大差异,目前尚未进行深入的研究.本文分析了喷水推进器的空化特性,阐述了其空化监测的机理,建立了空化监测系统,对喷水推进器空化监测技术进行了研究.空化监测的关键在于选择合适的空化监测参数,选取适当的测量位置,以及采用有效的信号分析处理方法来进行空化特征的提取.     

喷水推进装置推力直接测量台架的研究开发

通过使被测喷水推进装置悬浮,并使其在船尾板和船底板上脱离推力传递,从而在国内首次实现了喷水推进装置推力的整体分离与直接测量的构想。基于带自由液面的循环水槽,对试验台架的固定和悬浮系统的构成、吸入流量与空化衡准、变速传动系统配置以及机构受力平衡等多方面内容开展了深入的研究。该试验台架除了可进行推力直接测量外,还可开展动量通量法试验和推进效率试验。     

影响某艇喷水推进器推进性能的若干因素

基于某艇的推进性能需求,以喷水推进器设计工况为分析对象,采用计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）方法,建立计算模型,研究叶轮叶顶间隙、流道格栅密度、艇底水底间距、双泵轴间距等工程应用因素对推进性能的影响,可为某艇喷水推进器的设计、安装与使用等提供合理依据。     

喷水推进器进水流道进流面形状研究

采用动量法预报喷水推进器的推力和效率时,进水流道进流面的动量和能量的精确求取是影响预报精度的关键因素之一.当喷水推进器的流量以及船体边界层速度分布已知时,还需确定进流面的形状才能求取进口的动量和能量.有关进流面形状及其对推进性能的影响程度,目前还存在争论.本文采用CFD方法对进水流道的流场进行了数值模拟,通过求解一个用户自定义标量方程获取了不同进口速度比(IVR)条件下的流管及进流面形状.计算结果表明:①对于常见的平进口式矩形进水口,流管和进流面宽度约为进水流道宽度的2倍,且随进速比IVR的变化不明显;②随着IVR减小,进流面深度逐渐减小,进流面形状从饱满的半椭圆形逐渐变平坦,IVR很小时(IVR<0.3)进流面在中心线附近有所内陷;③同一工况下,进流面形状在进水口之前船体首尾方向不同的位置处基本不变.     

基于CFD的某型喷水推进器性能研究

采用CFD方法对某型轴流喷水推进器的基本性能进行测算。该型喷水推进器原用于一款小型高速摩托艇,具有工作转数高、推力大的特点。运用fluent软件以及RNGk-ε湍流模型、SIMPLEC算法、多重参考坐标系(MRF)对其进行数值计算,研究喷水推进器的设计流量、扬程、转矩、功率等性能参数,得到流场的速度和压力分布,为优化推进器的性能提供依据。     

混合推进系统喷水推进器与螺旋桨相互作用研究

通过求解雷诺时均的RANS方程数值模拟了单独喷水推进器和螺旋桨的流场,并用试验数据验证了数值计算的结果。在得到满意的结果之后,数值模拟了一台喷水推进器与两个螺旋桨混合推进系统的流场。通过流线和压力分布等研究混合推进系统流场特点。混合推进系统中,喷水推进器与螺旋桨的进、出流条件都发生了的改变,其中螺旋桨的改变较大。不同螺旋桨旋向计算结果表明,外旋桨有助于改善混合推进系统中喷水推进器的进流、提高整个推进系统的效率。数值计算和理论分析都表明,混合推进系统中,螺旋桨性能对流场的变化更敏感,在设计时应给予更多的关注。     

船舶喷水推进器推力分布研究

应用计算流体力学方法对一典型内置推力轴承混流式喷水推进器的流场进行了数值模拟,计算和分析了叶轮、导叶体、进水流道等主要水力部件的推力分布.计算结果显示:(1)在推进特性线上的设计工况,内置推力轴承上的推力约为喷水推进器净推力(合力)的1.5倍,泵静止部件上的推力约为净推力的-0.5倍,进水流道上的推力很小,可忽略不计;(2)各部件上的推力占净推力的比例在推进特性线上的其它工况基本维持不变;(3)在非推进特性线上的工况,各部件上的推力分布不同于推进特性线上的工况,来流速度与泵转速的比值越高时泵静止部件上向后的推力越大,进水流道上的推力不再是可忽略的小量了.喷水推进器推力分布规律的研究结果可为喷水推进器和船尾结构的强度设计时加载水动力作用项提供参考.     

喷水推进器与螺旋桨混合推进系统应用分析

结合南非海军3 500 t轻型护卫舰采用的喷水推进器和螺旋桨混合推进的典型案例,分析喷水推进器和螺旋桨混合推进的特点。说明喷水推进器和螺旋桨混合推进系统与柴油机、燃气轮机的联合使用可以有效发挥不同原动机和不同推进器的优点,使得这种推进方式既满足快速性,又满足经济性、隐身性和机动性多方面的要求。     

基于谐波平衡法的喷水推进器流场数值模拟

喷水推进压力脉动是与其振动噪声密切相关的水动力性能,主要是由转子与定子相互作用引起的。压力脉动的数值模拟主要采用非稳态方法,计算消耗巨大。为此,将谐波平衡法引入压力脉动的数值计算,以某后置导叶型喷水推进泵为对象,通过与瞬态数值模拟结果相比较,发现谐波平衡法适用于喷水推进泵非定常压力脉动的数值计算。当谐波平衡法的阶数n达到5时,计算所得的流场、脉动力与瞬态计算结果一致。数值计算工作量相当于2n+1个稳态计算量,远小于非稳态计算的工作量。     

关于喷水推进装置平进口边界层影响系数估算的探讨

喷水推进装置进口边界层是影响喷水推进推力和推进效率的重要因素,在喷水推进主参数优化选择计算中,如何较为准确地选取边界层影响系数α是至关重要的一步,它将直接影响到计算结果的准确性。通过对相关计算进行初步的分析与探讨,欲起到抛砖引玉的作用。     

泵喷水推进器分析与设计改进

通过CFD仿真技术获取了某快艇原载轴流式泵喷水推进器的性能,并通过经典计算发现原载轴流式喷水推进器的额定流量与快艇阻力特性不匹配,且其扬程远远低于期望值。新的泵喷水推进器主要从两个方面进行了改进：一是通过调整喷嘴出口口径使泵喷水推进器在最优效率点运行时正好符合快艇的阻力特性;二是提高泵喷水推进器的扬程使其满足能量平衡的需求。根据确定的参数设计了新的斜流式泵喷水推进器。通过CFD仿真表明斜流式泵喷水推进器达到了设计指标。试水试验表明配备新的泵喷水推进器后快艇达到了期望的要求。     

喷水推进混流泵流体动力性能的CFD研究

采用CFD方法研究KaMeWa公司的某型喷水推进混流泵的流体动力性能,并分析其内部流场特性。通过几何建模,将泵划分为进口、叶轮、导叶体和喷口四部分。分别采用结构化网格离散计算区域。应用k-ε和k-ω相结合的SST湍流模型封闭控制方程,采用全隐式多区域网格耦合求解。预报其功率、扬程、效率等特性,将泵功率的计算结果与该泵厂家试验数据进行比较,误差在2%以内。说明本研究采用的CFD方法预报该泵的流体动力性能真实可信。根据计算结果,对内流场的流线和叶片表面的压力分布做了详细分析。     

喷水推进器进水流道倾角与流动性能关系研究

对某平进口式喷水推进器进水流道,在其纵向总长度、宽、高给定的条件下,建立了倾角不同的6种流道模型.采用RNG k-ε湍流模型封闭RANS方程,运用SIMPLE算法,并考虑进口速比IVR(流道出口速度与航速之比)对流道流场的影响,得到了进水流道内部流场特征.从流道的出流均匀性、空化、流动分离和变工况的适用性4个方面提供定性和定量指标用以分析流道倾角在不同进速比工况下的水力性能情况,为喷水推进器进水流道倾角的优化设计提供依据.分析结果表明,该型推进器在流道倾角等于40°时各方面性能都较好.