导管螺旋桨叶梢泄漏涡机理研究及一种推迟梢涡空化的方法

文章运用数值模拟研究了导管螺旋桨叶梢泄漏涡机理,并提供了一种推迟泄漏涡空化的方法。通过分析不同间隙时的泄漏涡的空泡数发现,随着间隙增大,最小空泡数发生了位置向下游移动,靠近桨叶吸力面,其数值减小。间隙尺寸影响梢涡空泡数的机理很复杂,可以从三个方面来解释：第一、间隙大小改变了泄漏流动速度,从而影响了泄漏涡水动力参数;第二、间隙大小影响叶梢区域压强分布,泄漏涡压强随之改变;第三、间隙大小改变了间隙内黏流的产生和发展,影响泄漏涡黏性分布。而且叶梢泄漏涡核是导管螺旋桨空泡初生位置。文中研究一种叶梢喷射流方法降低叶梢涡核压降,推迟空化初生,探究了不同喷射速度和喷射间隙高度、喷射角度对泄漏涡空泡数的影响。从模拟结果看,叶梢喷射可以降低叶梢翼型载荷,改善泄漏涡核压强分布,推迟泄漏涡空化。比较不同喷射速度,发现速度越高,越能有效提高泄漏涡核压强,速度足够高时甚至可以“吹掉”涡核;研究不同喷射间隙高度发现,间隙越高,越能有效提高泄漏涡核压强,但由于会降低了叶梢更大区域的载荷,降低了桨叶推力;喷射角度的研究表明,轻微的正向预旋对推迟叶梢空化有利。     

螺旋桨梢涡空泡初生及尺度效应研究

应用气泡动力学方程和气泡运动微分方程研究了螺旋桨梢涡空泡的初生问题,并根据简化Reyleigh-Plesset方程推导了不同尺度模型空化初生空泡数换算公式,建立了空化初生尺度换算模型,研究了螺旋桨梢涡空泡初生尺度效应问题。螺旋桨梢涡流场应用RANS方法求解,湍流模型为经过旋转和曲率修正的代数雷诺应力模型(EARSM-CC)。计算结果表明,文中建立的数值方法能够准确预报出螺旋桨梢涡流场分布;螺旋桨梢涡空泡初生空泡数计算结果高于试验观察值;应用文中建立的空化初生尺度换算模型得到的结果与数值模拟结果基本吻合,而且其结果偏于安全。     

非均匀伴流中复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合研究

复合材料可改善螺旋桨空化性能及振动特性,在先进海洋推进装备领域备受关注。本文基于URANS计算复合材料螺旋桨外流场,应用FEM求解桨叶结构动态响应,并将水动力载荷及结构变形实时双向传递,建立复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合数值计算方法。精细地模拟了桨叶经过高伴流区过程中叶梢空泡的演化;叶梢最大变形量随着叶梢空泡的初生、发展而逐渐增大,在梢涡空泡形成阶段达到最大值,然后随着空泡的溃灭而减小;揭示了复合材料的应用使螺旋桨推进效率得以提高、叶梢空化得以抑制的机理,即复合材料螺旋桨在空化水动力载荷作用下产生弯扭耦合变形,自适应地调整攻角以抑制空泡发展;对比了典型空化工况下复合材料与刚性金属螺旋桨空化水动力性能的区别;与刚性金属桨相比,复合材料螺旋桨的压力脉动峰值缓和,对非均匀伴流场的适应性更好。     

螺旋桨梢涡及梢涡空泡数值模拟

以PPTC(Potsdam Propeller Test Case)桨为研究对象,探索了螺旋桨梢涡及梢涡空泡的数值模拟方法。通过梢涡区域的划分及网格加密,对螺旋桨无空化流场进行了数值模拟,成功捕获了梢涡;然后基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对空化流场进行了数值模拟;并将计算结果与试验数据进行了广泛的比较和分析,以校验计算网格和计算方法。研究表明:无论片空泡还是梢涡空泡的计算结果均与试验观测吻合良好;同时,所得螺旋桨推力和扭矩系数也与试验值符合良好;有效地实现了梢涡捕捉及梢涡空泡模拟。同时指出,水中含气率对推力和扭矩系数的影响大于空泡形态。     

均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报

文章采用Sauer空化模型,研究了网格类型和湍流模型对均流中螺旋桨梢涡空泡数值模拟的影响,研究表明,现有的空泡模型适合于螺旋桨梢涡空泡的数值模拟,其中梢涡空泡区域网格密度是关键,文中提出了一种合适的梢涡空泡区域网格加密方法.对PPTC螺旋桨全湿流和梢涡空泡进行了数值预报,螺旋桨梢涡空泡形态与试验结果进行了对比,并应用涡判据"Q准则"和"λ2准则"分析了梢涡与梢涡空泡的流动特征.全湿流中梢涡区域的涡量随周向的分布呈现单峰特性,最小涡量在涡心处,而空泡流中梢涡空泡区域的涡量随周向的分布呈现双峰特性,最小涡量不在涡心处.     

叶梢间隙和尖角对导管桨敞水性能的影响

针对叶梢间隙、叶梢尖角对导管螺旋桨Ka4-55+NO.19水动力性的影响问题,采用CFD方法进行模拟分析,对比不同湍流模型数值计算结果并分析螺旋桨表面的压力、速度分布情况;针对不同的叶梢间隙和尖角切割半径分别进行数值模拟计算。结果表明,湍流模型SST k-ω的数值计算精度较高;导管螺旋桨设计时,为满足工艺、结构要求可适当增大叶梢间隙;为减小桨叶受损概率和降低空泡,对叶梢尖角进行倒圆处理,其敞水性能的损失通过增大螺距比来弥补。     

均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报（英文）

文章采用Sauer空化模型,研究了网格类型和湍流模型对均流中螺旋桨梢涡空泡数值模拟的影响,研究表明,现有的空泡模型适合于螺旋桨梢涡空泡的数值模拟,其中梢涡空泡区域网格密度是关键,文中提出了一种合适的梢涡空泡区域网格加密方法。对PPTC螺旋桨全湿流和梢涡空泡进行了数值预报,螺旋桨梢涡空泡形态与试验结果进行了对比,并应用涡判据"Q准则"和"λ2准则"分析了梢涡与梢涡空泡的流动特征。全湿流中梢涡区域的涡量随周向的分布呈现单峰特性,最小涡量在涡心处,而空泡流中梢涡空泡区域的涡量随周向的分布呈现双峰特性,最小涡量不在涡心处。     

基于主动射流方法的椭圆水翼梢涡空化抑制研究北大核心CSCD

[目的]梢涡空化会产生压力波动和流动噪声,预测梢涡空化的初生和发展过程,了解其作用机理并加以抑制是船舶螺旋桨与旋转机械亟待解决的问题。[方法]以剖面为NACA 0012翼型的椭圆水翼为研究对象,基于IDDES湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,分别在全湿流和空泡流两种工况下对水翼梢涡及其空化现象进行模拟,分析水翼梢涡及其空化之间的相互作用特性。进一步,通过主动射流方法控制水翼梢涡空化,并对比两种开孔射流方式,即垂向射流和侧向射流的作用效果。[结果]以梢涡体积作为空泡抑制的判断标准,与无射流工况对比,垂向射流工况对空泡的抑制效果可达到8.09%;而在侧向射流工况下,射流对空泡的抑制效果更加明显,达到了10.47%。结果证明两种主动射流方式均可以有效抑制梢涡空化。[结论]通过机理分析发现,垂向射流会影响水翼梢涡入射流的流速及流向,提高梢涡湍动能的耗散项,从而降低水翼的梢涡强度;而在侧向射流工况下,射流则直接作用于梢涡,所携带的能量极大地破坏了水翼的梢涡结构,从而大大降低了梢涡空化现象的产生。     

三维水翼梢涡空泡和片空泡的雷诺数影响试验研究

螺旋桨空化是影响船舶隐身性能的一个重要因素,其中片空泡和梢涡空泡是两种主要的空泡类型。由于空化现象的复杂性,当前在工程实践中对螺旋桨空泡的预报主要是依靠模型试验。由于无法满足全相似律,如在缩比模型试验中难以满足雷诺数相似,其引起的尺度效应是影响预报精度的重要障碍。为此,需要引入相关的修正方法。针对一个给定尺度的三维水翼进行了不同攻角、不同水速下梢涡空化及片空化的试验来考察雷诺数的影响。试验在中国船舶科学研究中心的循环水槽进行,采用了高速摄影与水声设备。试验结果为建立基于模型试验的螺旋桨空化实船预报方法提供了依据。     

螺旋桨设计参数对桨叶片空泡性能的影响分析

文章基于扰动速度势面元法建立了在均流条件下螺旋桨桨叶片空泡数值预报方法,空泡模型采用压力恢复闭合模型。通过对5600TEU集装箱船螺旋桨空泡的数值预报,以及与试验结果的比较,验证了该方法的可行性。该方法能够较为快速准确地预报螺旋桨桨叶片空泡,可用于分析参数对螺旋桨空泡性能的影响,为抑制螺旋桨空化设计提供基础。在此基础上重点分析了桨叶侧斜、纵倾以及桨叶剖面型式对螺旋桨空泡性能的影响,计算表明加大侧斜能够减少空泡面积,空泡向外半径偏移;桨叶剖面的设计对空泡性能影响较大,优化设计桨叶剖面可以有效减少空泡面积,提高螺旋桨抗空化能力;纵倾向压力面弯曲的分布形式可以改善梢部的压力分布,减少叶梢附近空泡长度,从而可望减少由空泡引起的脉动压力。     

三维水翼梢涡流场数值研究

针对三维水翼梢涡流场和梢涡空泡初生的问题,分别建立k-ω,DES和LES模型,对水翼的梢涡流场进行计算研究。为减少误差,在网格的处理上对梢涡流域进行局部加密,对未发生空化时梢涡内的轴向速度和切向速度进行计算,发现LES模型的计算结果与实验值吻合较好。在此基础上,讨论尾涡的卷曲对梢涡压力场的影响,提出了使用气泡静力平衡方程计算初始梢涡空泡数的方法。     

两艘多用途船的螺旋桨设计研究

以2艘多用途船螺旋桨设计为例，运用螺旋桨理论设计与模型试验为手段，探索了特定条件下加大桨叶后倾角（增加桨叶梢与船底板间隙）、改变螺旋桨叶面积以及增加桨叶侧斜角对诱导脉动压力和效率的影响。结果表明：采用减小空泡裕度增加盘面比的措施，对降低脉动压力的效果最为显著；增大侧斜角措施的效果居中；通过改变后倾角增大叶梢与船底板间隙的措施，降低脉动压力效果相对要小一些。     

基于叶梢小翼的泵喷推进器梢隙涡控制方法数值研究

泵喷推进器转子叶片梢涡不仅会降低推进器空化性能,而且会引起较大的梢隙压力脉动和非定常激励力,从而降低推进器声学性能。因此,泵喷梢隙涡控制是提升推进器声学性能的有效途径。该文针对某前置定子泵喷推进器,提出基于叶梢翼的梢涡控制措施,并利用高精度数值仿真方法对比分析了抑制梢涡前后的泵喷推进器推进性能、流场结构、压力脉动等特性。研究结果表明：基于叶梢翼的转子梢涡控制方法可显著抑制泵喷梢涡发展和叶梢间隙压力脉动,并且对推进器的水动力性能影响较小,可为泵喷推进器声学优化提供参考。     

梢涡的空化核半径和空化起始

Rankine圆旋涡模型传统地被用来模化梢涡。本文基于Navier-Stokes方程提出了一个不同于圆旋涡模型的空化涡数学模型,并得到了包括粘性和机翼尾涡涡层滚卷过程对梢涡涡强影响的空化核半径方程。进而讨论了梢涡空化起始。本文给出了从水翼上下滑的旋涡空化核半径变化的数值结果,并讨论了解释梢涡空化研究方面的一些想法。     

侧向螺旋桨的圆周速度和噪音

Ⅰ、园周速度螺旋桨叶梢的圆周速度是螺旋桨流体动力负载大小的标志。“列泼斯”(Lips)的经验指出,要避免空泡现象,叶梢的圆周速度不应超过32—34米/秒。如果叶梢的速度超过了这个数值,螺旋桨叶片就必须进行专门设计。上述叶梢圆周速度规律已被“列泼斯”作为选择侧向螺旋桨设计的规范之一成功地应用了多     

侧推器脉动压力及噪声的试验研究

侧推器桨叶负荷重、叶梢间隙很小,比普通螺旋桨更容易产生空泡,因此振动和噪声问题更加突出。公开文献中相关试验研究极少。作者在上海交通大学空泡水筒开展了侧推器脉动压力和噪声的模型试验研究,对于齿轮箱位于桨叶上游的情况,考察了来流速度、螺旋桨转速以及空泡对脉动压力和噪声的影响。试验分析表明前两个因素影响很小;有空泡时的脉动压力和噪声均比无空泡时明显增大;有空泡时,随着空泡数的降低,桨盘面处的压力脉动会进一步加剧,而噪声却下降了。     

舰艇螺旋桨水下噪声预测

螺旋桨空化噪声是舰艇最主要的辐射噪声源。文章分析了螺旋桨噪声平坡形谱曲线的特点,给出源声级谱级曲线的衰减指数值,分析了特征频率和峰值谱级的影响因素。由螺旋桨空化状态下两个特征航速对应的部分频段内的噪声谱级计算式拟合得到水面舰船螺旋桨空化后任意可达航速下的噪声谱曲线。结合叶梢周向速度一定时特征频率处谱级与螺旋桨直径的函数关系和频率一定时叶梢周向速度变化引起的特征频率处谱级变化量,得到潜艇螺旋桨无空化状态下特征频率处谱级,在空化状态下,还需要加上螺旋桨进入尖锐谱峰区和转速进一步升高引起的声级增加量,从而得到了潜艇在任意航态下整个频带内螺旋桨噪声谱级的计算式。利用已有数据对计算式进行了检验,计算声级误差小于4dB。计算中用到的叶梢初生空泡数和判定是否出现窄带调噪声要通过空泡筒试验确定。     

改进型泵喷推进器梢涡控制及敞水性能研究

为解决泵喷推进器梢部流动引起的梢隙空化和梢涡空化问题,设计一种转子梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽的改进型泵喷推进器。基于RANS方法,结合SST k-ω湍流模型,采用分块网格技术,对泵喷推进器模型进行数值模拟,通过数值模拟结果分析梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽结构对梢涡的控制效果以及泵喷推进敞水性能的影响。结果显示,梢部带圆环并嵌入导管内壁凹槽结构能明显抑制梢涡产生,升高转子梢部流场压力,推迟梢涡空化的发生,但敞水性能有所降低,推进效率降低最大有5.12%。     

基于CFD的导管桨叶梢与内壁间隙对水动力性能影响分析

运用计算流体力学软件Fluent对粘性流场中导管螺旋桨的流场进行了计算分析,获得了导管螺旋桨敞水状态下的水动力性能曲线。改变螺旋桨叶梢与内壁的间隙△(△=0,0.025R,0.05R),分别计算导管桨的水动力性能,计算结果表明:导管螺旋桨的叶梢与导管内壁间隙越小,导管螺旋桨的推进效率越高。     

基于大涡模拟的泵喷推进器梢隙流场特性研究

泵喷推进器导管内壁与转子叶梢之间存在较小的间隙,叶梢间隙中的流场是整个导管内流场中最复杂的区域.为了研究泵喷推进器梢隙流场特性,基于大涡模拟对泵喷推进器的梢隙流场进行数值模拟分析.通过对网格数量和时间步长的无关性验证,建立了一套研究梢隙流场特性的计算方法,分析了梢隙流场中涡结构的生成、输运和扩散过程,并对比了不同湍流模...