全回转吊舱推进器性能预报—仿真与试验研究

推进器,特别是用于动力定位工况下的大功率全回转吊舱推进器在选型安装前,对其水动力性能准确预测十分重要,其性能好坏直接影响系统最终的定位精度。本研究结合ZPMC研发建造的伸缩全回转吊舱推进器,采用商用CFD软件分别对螺旋桨、导管以及吊舱推进器的敞水性能进行了数值计算,建立了吊舱推进器水动力性能预报的方法。一系列敞水试验结果表明该方法可以较为准确的对包括推力、扭矩及效率等在内的吊舱推进器整体性能进行预测,继而为推进器性能的预报、优化提供参考。     

拖式吊舱推进器的水动力特性分析

拖式吊舱推进器的螺旋桨与吊舱之间干扰剧烈,流动现象较为复杂,为研究拖式吊舱推进器的水动力特性,基于粘性理论,滑移网格技术,借助商用流体计算软件FINE/Marine,分别完成了三维实尺度的裸桨及吊舱推进器的敞水性能数值模拟。着重在吊舱对螺旋桨水动力性能的影响、吊舱侧向受力、吊舱表面压力和周围流场速度分布方面进行了分析。结果表明,由于吊舱的存在,螺旋桨的推力扭矩均有所提升,但是整体推进器的效率没有明显改善,反而使螺旋桨推力波动增大;吊舱在螺旋桨尾流影响下会产生额外的侧向力。     

鳍对拖式吊舱推进器水动力性能的影响

为研究鳍的影响,建立了吊舱推进器的水动力性能的计算模型.计算了吊舱推进器安装和不安装鳍时的水动力性能,螺旋桨与吊舱及鳍之间的相互影响通过迭代计算加以考虑.采用基于速度势的基本积分微分方程,并采用双曲面元以消除面元间的间隙.采用Newton-Raphson迭代求解压力分布使得桨叶的随边满足压力库塔条件,用柳泽的方法求得物体表面的速度分布以避免数值求导的奇异性.无鳍.单鳍和双鳍的吊舱推进器水动力性能计算结果表明,附加鳍时吊舱推进器的螺旋桨推力增加,由于鳍上产生推力导致吊舱阻力减小.附加双鳍时的吊舱推进器水动力性能最好,附加单鳍时次之,无鳍时最低.     

基于CFD仿真与水池实验的邮轮吊舱推进器模型敞水特性研究

随着国际邮轮产业发展迅速,基于吊舱推进器良好的性能表现,各类邮轮大多采用吊舱推进器的推进方式。本文根据某豪华邮轮所采用的拖式吊舱推进器,通过特定的优化方法改变其螺旋桨螺距,得到2个不同参数的螺旋桨。通过模型实验和数值仿真方法,计算出原螺旋桨与优化后螺旋桨的敞水效率,有利于降低能耗,提高邮轮运营经济性。本文采用CFD软件Starccm+采用MFR方法,运用标准k-ε方程对2个不同参数的螺旋桨的吊舱推进器模型进行仿真计算,然后对其进行水池实验得出实验下吊舱推进器敞水效率。通过在多组推进速度情况下对比2个配有不同螺旋桨的吊舱推进器的敞水性能曲线寻找优化后螺旋桨的性能提升点。通过对吊舱推进器模型的仿真和实验的预测为实际吊舱推进器螺旋桨设计提供依据。     

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。     

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。     

空泡水洞中拖式吊舱推进器脉动压力测量及空泡观测

针对吊舱推进器的关键技术,开展拖式吊舱推进器空泡性能和脉动压力的试验研究。试验在海军工程大学空泡水洞实验室进行,观察吊舱推进器桨模在不同工况下空泡发展和变化情况,并用人工观察方式进行整理记录,同时通过螺旋桨正上方区域安装的脉动压力传感器测量脉动压力。对试验结果进行分析,探讨拖式吊舱推进器不同工况下脉动压力和空泡性能的特点和规律及其对水动力性能的影响,为吊舱推进器性能研究及设计提供参考。     

船后吊舱导管推进器系柱水动力数值预报方法研究

作为吊舱式推进器的一种形式,吊舱导管推进器因其附体复杂,且受到船尾线型及其他附体影响,水动力性能研究具有较大挑战.文中基于RANS求解流场,利用滑移网格技术处理螺旋桨的旋转,研究海工船舶船后吊舱导管推进器系柱水动性能数值预报,分析偏转角对不同位置吊舱导管推进器的系柱推力和扭矩影响,并通过模型试验结果,验证了该数值预报方法.     

偏转工况下吊舱推进器的水动力和空泡性能

[目的]吊舱推进器与螺旋桨之间干扰强烈,流动现象复杂。在操舵工况下远离设计点条件工作时,桨叶载荷会出现剧烈变化,且空泡性能也将同步恶化。为了分析吊舱推进器在偏转工况下的水动力和空泡性能,[方法]首先,采用全结构网格,基于雷诺平均(RANS)数值模拟方法对吊舱推进器的水动力性能开展研究;然后,采用Sauer模型预报吊舱推进器偏转工况下的空泡性能;最后,在空泡水筒中开展吊舱推进器的模型实验。[结果]结果表明:数值计算结果与实验结果的吻合度较高,验证了数值预报方法的准确性;偏转工况下,吊舱桨的推力和扭矩均高于直航工况;吊舱偏转后,随着周向角的变化,不同周向位置的压力将呈脉动变化趋势;桨叶的空泡形态存在差异性,且随吊舱偏转角度的增加而恶化。[结论]研究成果可以为吊舱推进器设计提供参考。     

吊舱式电力推进船舶螺旋桨匹配设计仿真研究

在国内,吊舱推进器的设计还处于理论起步阶段,尤其是吊舱推进器螺旋桨,其设计方法尚未成熟,而螺旋桨的设计对于整个推进系统推进性能的影响又尤为关键,关系到船—机—桨匹配的综合推进性能。为此,采用常规螺旋桨敞水特性图谱等效设计POD螺旋桨参数的方法对吊舱推进器螺旋桨进行设计,分析吊舱式推进船舶船—机—桨的匹配性能。为了提高设计效率及优化推进系统的推进性能,针对吊舱式电力推进船舶,采用常规螺旋桨等效设计方法设计POD螺旋桨参数,同时基于LabVIEW图形化编程语言开发船—机—桨匹配数值分析软件以对设计参数进行静态匹配计算,并与母船的推进效率进行对比,选取最优化的螺旋桨参数作为POD螺旋桨参数,以优化推进效率。研究结果表明：采用常规螺旋桨等效设计方法设计POD螺旋桨参数的方案,同时结合开发的船—机—桨匹配数值仿真分析平台,可以方便、快捷地对吊舱式推进船舶进行船—机—桨匹配分析计算比较,提高推进性能。     

吊舱式CRP推进系统理论设计研究

采用螺旋桨旋涡理论和低阶速度势面元法对吊舱式CRP进行适伴流设计。在吊舱给定的前提下对前后桨进行升力线设计和升力面修正,吊舱与前后桨之间的相互影响通过诱导速度来考虑,且诱导速度作为伴流的一部分,并采用面元法进行非定常水动力性能预报。通过实例设计分析可知:在设计进速条件下,采用该方法设计的吊舱式CRP系统与设计的单桨相比,其效率可提高8.533%,设计吊舱式CRP尾流周向诱导速度明显小于单桨时的速度。     

基于 CFD预报双桨式吊舱推进器水动力性能

基于粘性流体理论,采用CFD技术数值预报双桨式吊舱推进器的敞水水动力性能。通过对某单桨吊舱推进器进行数值模拟,并与实验值进行比较,验证数值计算方法的准确性。最后数值计算了双桨式吊舱推进器在不同偏转角时的水动力性能,通过数值计算、结果比较和特性分析,计算结果呈现出一定的规律性,达到了给出双桨式全回转吊舱推进器数值预报的方法和一般性规律的目的,可以对此类推进器水动力性能的预报提供参考。     

粘性流场中吊舱推进器水动力性能数值研究

应用滑移网格技术对粘性流场中吊舱推进器的水动力性能进行了数值模拟,成功预报了吊舱推进器在粘性流场中的敞水性能,和试验结果相比,推力系数最大偏差为2.9%,扭矩系数最大偏差为0.8%。考察了吊舱推进器各部件及周围的流动特征,包括压力分布、速度矢量分布、流线及涡的形态等,为吊舱推进器各部件的优化设计以及吊舱推进器在工程上的应用提供了详细的流场信息。     

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.     

小舵角工况下吊舱推进器空泡性能试验研究

船舶在航行中需要在小舵角范围内频繁操舵以保持航向,因此在小舵角工况下吊舱推进器的空泡性能尤为重要。通过试验,对小舵角(±5°)范围内吊舱推进器的空泡性能进行了观察。同时,在0°舵角工况下,对船体以及吊舱上螺旋桨诱导的脉动压力进行了测量,验证了吊舱推进器的设计及应用状况。     

吊舱推进器定常水动力性能计算

采用FLUENT软件进行拖式吊舱推进器水动力性能的计算,将整体计算域划分为三个区域进行从而达到合理减少计算网格的目的。对于吊舱推进器的整体计算由于涉及到转子/定子物体的相互干扰问题,文中在模拟相互干扰平均效果的定常情况计算中,采用混合面模型进行。对计算方法及边界条件的设置进行了详细介绍。讨论了两种壁面函数对计算结果的影响。计算了不同进速系数下吊舱推进器的推力系数、扭矩系数。采用四套网格进行了吊舱推进器水动力性能计算的比较分析,给出了详细的计算网格参数。分析了计算网格数对吊舱推进器理论预报精度的影响。