对转舵桨水动力性能理论分析

为了对对转舵桨水动力性能进行计算分析,文章采用低阶速度势面元法建立了对转舵桨水动力性能理论迭代预报模型。对转舵桨的前桨、后桨和吊舱单元之间的相互扰动通过诱导速度来考虑,诱导速度由面元法计算获得。为了对对转舵桨性能进行对比分析,文中采用同样的预报模型对相应常规单桨水动力性能进行了计算,该单桨与对转舵桨在设计工况下能够提供相同的推力。实例计算结果表明,在提供相同推力的条件下,对转舵桨相对单桨收到功率可降低8.03%。与单桨相比,对转舵桨尾流周向诱导速度明显减小,其尾流旋转能量得到有效回收。     

混合对转推进系统水动力性征数值研究

[目的]为研究混合对转推进系统的推进性能,[方法]采用滑移网格方法,分别对螺旋桨、吊舱推进器、混合对转推进系统的水动力性征进行数值模拟,分析混合对转推进系统中各推进成分相对于其单独工作时的水动力性征差异,研究混合对转推进系统中各部分之间的相互影响规律。[结果]结果表明:在混合对转推进系统中,后桨对前桨的抽吸作用导致前桨推力系数、转矩系数、敞水效率随进速系数的减小而减小,与单独螺旋桨的变化趋势不同;吊舱和桨毂的阻塞效应以及前桨非定常尾流对后桨的干扰作用,导致后桨推力系数、转矩系数及敞水效率与单独吊舱推进器的结果不同;混合对转推进系统效率低于单独螺旋桨,未能体现后桨对前桨尾流的吸能作用,因此在混合对转推进系统的设计研究工作中,需要进一步考虑前、后桨几何参数的匹配问题。[结论]研究结果可为混合对转推进系统的优化设计和工程应用提供参考。     

对转桨推进的高速水下航行体实尺度自航计算与分析

[目的]为了实现对转桨(CRP)推进的高速水下航行体自航因子的数值预报,[方法]建立实尺度航行体阻力、自航及对转桨敞水的RANS模拟方法,进行阻力和敞水计算精度验证,分别采用准定常和非定常方法进行自航模拟,并对自航因子进行分析和比较。[结果]模型尺度的计算与试验比较表明,航行体阻力计算误差小于3%,对转桨推力、扭矩计算误差分别小于2%和4%;实尺度阻力计算结果与基于模型试验的预报结果相差约3%;实尺度自航计算得到的自航因子值均在合理范围;自航因子的准定常与非定常计算结果之差小于2%,说明准定常方法适合于工程应用。[结论]研究方法可为对转桨设计提供较准确的输入数据,可为提高设计精度、缩短设计周期提供技术支撑。     

吊舱式CRP推进器水动力性能数值模拟

建立吊舱式CRP推进器数值模型,结合RANS方程和SSTk-ω湍流模型,运用滑移网格方法对吊舱式CRP推进器在均匀流场中水动力性能进行非定常数值预报。将数值预报所得的敞水性能结果与在真实空泡水洞内利用吊舱动力仪及长轴动力仪对吊舱式CRP推进器进行敞水试验得到的试验数据进行比较;同时得到了吊舱式CRP推进器前后桨叶面及叶背压力系数分布与前后桨及吊舱的非定常性能,将计算结果和不附带吊舱相同对转桨计算结果进行比较分析。结果表明,本文所用数值计算方法对吊舱式CRP推进器水动力性能的预报具有较高的可信度,能达到工程应用的要求。     

大型船舶混合吊舱对转桨与船体相互干扰特性研究

对一艘75kDWT油船的裸船体阻力在采用常规桨和混合吊舱对转桨这两种情况下的水动力性能进行了CFD评估,从船-桨-舵受力、自航因子以及船后尾流场等方面进行对比,分析对转桨与船体相互干扰特性。计算结果表明,设计航速工况下,采用混合吊舱对转桨推进方式较单桨推进方式时的船后螺旋桨收到功率下降16%左右。这主要是因为对转桨的扭矩较单桨低,且对转桨推进方式下的船身效率和螺旋桨敞水效率较单桨高。     

带有推力鳍的吊舱推进器水动力性能研究

本文使用FLUENT软件对拖式吊舱推进器的水动力性能进行分析。由于涉及到螺旋桨、桨毂和舱体、支架的相互干扰问题,本文采用多参考系模型来进行相互干扰平均效果的计算。本文计算不同进速系数下普通吊舱推进器的推力系数、扭矩系数,与实验数据进行对比,并绘制敞水性能曲线。同时提出了几种带有推力鳍的吊舱推进器,对其进行了水动力性能计算,并与普通吊舱推进器的水动力性能进行比较,本文最后分析推力鳍对吊舱推进器水动力性能的影响。     

冰阻塞参数对吊舱推进装置性能的影响

为研究阻塞冰与吊舱推进装置相对位置变化引起的水动力性能变化规律、载荷分布特点和流场变化趋势，通过建立冰与吊舱推进装置相互作用的数值模型和理论计算方法，改变阻塞冰的状态和空间位置变化。计算结果表明：在来流方向，当阻塞系数相同时，冰块尾端与桨盘面的轴向距离越近，螺旋桨的推力系数和扭矩系数越大；当阻塞面积相同时，螺旋桨的旋向对螺旋桨的推力系数和扭矩系数的影响不大；在相同阻塞系数下，垂向距离分布对螺旋桨的推力系数和扭矩系数几乎没有影响。冰块阻塞物对螺旋桨的阻塞面积越大，螺旋桨前面的低压区域越大；随着阻塞面积减小，阻塞物对螺旋桨的影响逐渐减小。研究结果可为冰区吊舱推进器的总体设计提供指导。     

全回转吊舱推进器动态转舵力矩数值预报研究

吊舱推进器兼备推进和操纵功能,可在水平面上实现360°全回转。论文基于黏流理论,采用双重滑移网格技术,在指定的吊舱推进器回转与螺旋旋转运动模式下,构建动态转舵力矩数值预报方法。研究表明：与来流速度相比,转舵速度对转舵力矩的影响很小,当J=0.5时,转舵力矩在260°附近出现最大值,力矩系数为2.384×10^-3;转舵力矩存在2个响应频率,分别为轴频4.17 Hz和叶频20.8 Hz。研究成果对吊舱推进器转舵系统的设计具有指导意义。     

混合式CRP推进器操舵工况水动力性能数值研究

[目的]为了研究操舵工况对混合式CRP推进器水动力性能的影响,[方法]采用RANS方法结合SST k-ω湍流模型计算NACA0012型敞水舵的升力系数,通过与试验数据的对比,选定数值计算的近壁面网格布置和近壁面处理方式。在此基础上,进一步预报偏转工况下吊舱推进器的水动力性能,通过试验对比,表明误差在较小范围内。以混合式CRP推进器为研究对象,采用该数值方法预报操舵工况下该型推进器的水动力性能并予以分析。[结果]研究发现,该型推进器后桨推力、吊舱横向力和操舵力矩均随偏转角的增大而增大,前桨推力基本不随偏转变化。[结论]表明该型推进器操纵性能优良,具有广阔的工程应用前景。     

船舶单桨工况拖转调距桨性能计算及其对快速性的影响分析

利用CFD方法对某调距桨敞水特性进行数值计算,并利用实验数据对计算结果进行校验。对于该桨各螺距下大进速系数时的敞水性能采用CFD计算结果与二次曲线逼近相结合的方法获得,以适当扩大调距桨的敞水特性曲线在水涡轮工况的范围。建立了某推进装置主机、传动装置、调距桨、船体阻力的数学模型,在Simulink环境下集成为"船-桨-机"推进系统仿真模型。对单桨工况的稳态特性进行仿真计算,着重研究了不工作调距桨自由拖桨时的拖桨阻力。结果表明:1)不工作桨自由拖转时,将不工作桨螺距设定为最大值时拖桨阻力最小,船舶的快速性最好;2)航速和不工作桨螺距是影响不工作桨拖桨阻力的主要因素,航速越高,拖桨阻力、拖桨力矩以及拖桨转速越大;不工作桨螺距越大,拖桨阻力越小,拖桨力矩与拖桨转速先略微增加而后减小至最小值。     

基于CFD的拖式吊舱推进器斜流状态下数值模拟

采用FLUENT软件计算了某拖式吊舱推进器在直航以及斜流状态下的水动力性能.采用滑移面网格方法以模拟桨叶、支架、以及舱体之间的非定常干扰.文中首先计算了直航时不同进速系数下的桨叶推力系数、扭矩系数,并与实验结果进行了对比.计算了在不同斜流角(15°、30°、45°)、不同载荷系数时桨叶本身的推力系数、扭矩系数、侧向力系数与直航时(0°)的比较.文中还讨论了支架、舱体在直航以及不同斜流角时的侧向力问题,并将其大小与桨叶本身产生的侧向力进行了比较,部分计算结果与已有的实验值进行了比较、分析.     

桨舵干扰系统非定常水动力性能预估

基于对桨舵干扰的系统研究，本文提供了一个桨舵非定常干扰问题的理论计算方法，桨采用非定常涡格法，舵采用基于速度势的非定常面元法。在时域范围内通过迭代计算考虑螺旋桨和舵的相互影响。文中提供了一些算例考核，通过与实验结果对比，证明本文提供的方法是可靠的，可供实际应用。     

拖式吊舱推进器的非定常水动力性能

应用升力面理论涡格法和面元法,建立了拖式吊舱推进器非定常水动力性能的数值计算方法。螺旋桨桨叶采用升力面理论涡格法计算,吊舱舱体及支架采用HESS-SMITH面元法计算,螺旋桨与吊舱及支架之间的相互影响通过迭代计算来处理。针对拖式吊舱推进器,通过系统的计算和分析,研究了螺旋桨负荷、吊舱和支架诱导速度各分量以及标称与实效诱导速度对其水动力性能的影响。研究表明,就吊舱及支架的实效诱导速度而言,轴向及周向诱导速度主要由支架引起,径向诱导速度主要由吊舱舱体引起。当考察吊舱推进器的定常水动力性能时,可略去吊舱诱导速度的径向及周向分量;考察非定常性能时,可略去径向分量,但应考虑周向分量的影响。以吊舱及支架的标称诱导速度作为进流,将导致非定常推力、扭矩的平均值降低,脉动量幅值减小,因此,虽然标称诱导速度容易得到,但据此进行吊舱推进器的性能预报或设计都会引起一定的误差。非定常水动力的脉动幅值取决于船尾伴流与吊舱诱导速度的相对比例,略去吊舱诱导速度会导致桨叶非定常力的变化特征发生较大变化。     

Experimental study on hydrodynamics of L-type podded propulsor in straight-ahead motion and off-design conditions

Experimental tests were conducted to evaluate the hydrodynamic performance of an L-type podded propulsor in straight-ahead motion and off-design conditions using an open-water measuring instrument developed by the authors for podded propulsors, a ship model towing tank, and under water particle image velocimetry (PIV) measurement systems. Under the three types of conditions, the main parameters of an L-type podded propulsor were measured, including the propeller thrust and torque, as well as the thrust, side force, and moment of the whole pod unit. In addition, the flow field on the section between the propeller and the strut was analyzed. Experimental results demonstrate that the dynamic azimuthing rate and direction and the turning direction affect the forces on the propeller and the whole pod unit. Forces are asymmetrically distributed between the left and right azimuthing directions because of the effect of propeller rotation. The findings of this study provide a foundation for further research on L-type podded propulsors.     

L型吊舱式推进器直线运动和非设计工况下水动力性能的试验研究（英文）

Experimental tests were conducted to evaluate the hydrodynamic performance of an L-type podded propulsor in straight-ahead motion and off-design conditions using an open-water measuring instrument developed by the authors for podded propulsors, a ship model towing tank, and under water particle image velocimetry(PIV) measurement systems. Under the three types of conditions, the main parameters of an L-type podded propulsor were measured, including the propeller thrust and torque, as well as the thrust, side force, and moment of the whole pod unit. In addition, the flow field on the section between the propeller and the strut was analyzed. Experimental results demonstrate that the dynamic azimuthing rate and direction and the turning direction affect the forces on the propeller and the whole pod unit. Forces are asymmetrically distributed between the left and right azimuthing directions because of the effect of propeller rotation. The findings of this study provide a foundation for further research on L-type podded propulsors.     

均流中大型集装箱船桨舵干扰粘性流场的数值计算研究

应用FLUENT软件的滑移网格技术,实现了均匀来流中的桨舵干扰粘性流场计算。考察了桨推力、舵受力,桨舵周围的速度、压力分布。为尝试预报舵空泡性能,还考察了桨舵间距变化对舵面上的压力分布的影响,取得了与舵空泡观察试验一致的结果。本项工作为船后桨舵干扰粘性流场计算提供了基础。     

基于体积力法的半悬挂舵和全悬挂舵回转性对比

针对半悬挂舵和全悬挂舵回转性能差异问题,建立用于模拟螺旋桨推力的体积力模型,评估两种不同形式舵的回转性。对标模KCS船型回转运动进行计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）模拟,船后螺旋桨作用使用体积力模型替代。开展半悬挂舵回转性CFD模拟,并与试验结果对比验证。设计全悬挂舵并模拟其回转性,与半悬挂舵回转性进行比较。结果显示,半悬挂舵除战术直径与试验结果相差9.48%外,其他回转特性参数与试验结果相差均在3%以内,说明基于体积力法模拟回转性具有较高的可信度。全悬挂舵的回转特性参数均优于半悬挂舵,说明全悬挂舵的回转性能更佳。     

吊舱推进器及其螺旋桨的敞水性能估算

对影响吊舱推进器螺旋桨性能的因素进行了分析,提出应用常规螺旋桨图谱估算POD桨敞水特性曲线的方法,根据已知POD桨的敞水特性资料,通过保持盘面比不变改变螺距比迭代计算得到等效常规螺旋桨,根据得到的螺距比变化规律和常规桨图谱,设计POD桨和估算其敞水特性,并给出算例。     

航行作业船舶考虑舵力的动力定位能力评估方法研究

在船舶动力定位系统中,主推和舵组合（桨舵组合）产生的有效推力矢量区域是非凸的,在进行优化推力分配时需要进行凸化处理。文章提出了一种新的处理办法,将主推和舵的组合等效看成相同位置上的两个不能同时工作的独立推进器,这两个推进器的推力矢量区域都是凸区域,且分别对应主推推力方向不同时的推力矢量区域。在数学上只需通过增加等式约束来实现非凸区域的凸化处理,处理过程更为简单。文中结合具体实例进行了计算。结果对比表明,该方法是可靠有效的。该方法还适用于有多个禁区的推进器处理。