对旋轴流式喷水推进器内部流动数值模拟与分析

在喷水推进器运行时,不考虑改变喷口直径以及转向装置,只有转速以及航速变化对喷水推进器内部流动产生影响.基于计算流体力学方法,以对旋轴流式喷水推进器为对象,并在进水流道底部加入计算所需流场控制体.使用SST湍流模型,对喷水推进器进行相同转速不同航速、相同航速不同转速下的全流道数值模拟,得到首级叶轮进口处、首次级叶轮轴向间隙、次级叶轮出口处和喷口处截面速度与压力分布,从而分析比较推进泵转速以及推进器航速对喷水推进器内部流场的影响.结果表明:航行速度对喷水推进器内部尤其是首级叶轮前后流动产生显著影响,流道内速度变化较大;首级叶轮进口处底部速度最大且对后续流动有影响;在航速不变时,速度分布基本相同,仅在数值上有所变化,单独改变转速并未对喷水推进器内部流动产生较大影响,增加转速使得推进器内部流动趋于稳定;流体流经次级叶轮后,速度与压力分布具有规律性,推进器航速及喷泵转速均不会对其产生较大影响.     

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。     

喷水推进器获流区形状的确定与影响因素研究

在喷水推进器进口流道内外流场数值模拟的基础上，通过在Star CCM+软件中编制宏命令，在一条从获流区顶部中点发出的射线上用二分法取点，生成经过该点的流线，并判断其是否进入流道内部，逐次逼近止于喷水推进器进口唇口的流线，可快速、准确地确定获流区的边界，提高喷水推进器推力预报的精度。考察进口流道几何、来流条件等参数对获流区形状的影响，其中进速比、船底边界层的影响较大。     

基于熵产理论的不同斜航角下的喷水推进器能量损失

为研究高速进流状态、不同斜航角下的喷水推进器内部流动损失特性，采用SSTk-ε湍流模型对喷水推进器内部流场进行定常计算，并根据熵产理论对不同斜航角下喷水推进器各部件的流动损失特性进行定量分析。研究结果表明，喷水推进器内部能量损失的主要来源是湍流耗散，其熵产比率最高可达91%。斜航角越大，喷水推进器内部流动损失越大，进水流道出口处流动的不均匀度越高，叶轮段高熵产区域越大，且分布不均匀；导叶段能量损失在各斜航角下均较大，导叶各流道轮毂处存在大量紊乱的流线，随着斜航角的增大，形成大面积的分离涡团。     

含气率对多相混输泵内气液两相分布规律的影响

为了探究含气率对多相混输泵内气液两相分布规律的影响，本文基于标准的k-ε湍流模型和时均N-S方程，对不同含气率下混输泵内的流态进行数值计算，分析了混输泵内不同位置处的气液两相分布规律。结果表明：不同压缩级动叶轮进口截面到出口截面的气相体积分数从轮毂至轮缘逐渐变小，同时叶轮靠近轮毂处、轮毂至轮缘中间位置处以及轮缘处的最大气体体积分数位置将随着含气率的增加而增加。另外在离心力的作用下混输泵动叶轮内越靠近轮缘液相越集中，越靠近轮毂气相越集中。此研究结果为提高多相混输泵的混输性能和运行效率提供了参考。     

绕水翼非定常空化流动的涡动力学分析

文章采用数值方法对绕水翼的非定常空化流动进行了流动计算,并采用涡动力学方法对非定常空化流场特性进行了分析。计算中,采用基于当地涡旋修正的湍流模型封闭控制方程,通过实验对该计算结果进行验证;采用涡量法分析了空化的发生和发展对涡量输运过程的影响。结果表明:基于当地涡旋修正的湍流模型可以准确地模拟水翼周围非定常空化流场结构;水翼空化流场具有强烈的非定常特性,空化的发展和流场中的涡结构有着紧密的联系;反向射流的作用会导致附着空穴尾缘附近速度梯度的非定常变化,是导致涡量产生和消失的重要因素;空化区域内部水气两相的质量交换会导致流场内体积变化率的变化,使得空化区域内部流体的非正压性显著增强,上述两者导致空化区域内部的涡量分布呈现强烈的非定常特性;空化现象引起的水气两相之间的相互转换以及对湍流的作用都是影响涡结构空间分布的重要因素。     

圆柱后梁结构振动对尾涡发放特征影响的研究

采用分离式双向流固耦合分析方法,对刚性圆柱-弹性梁结构的涡激振动现象进行数值模拟。结构承受的流体载荷用CFD方法计算,弹性梁结构的振动响应用有限元方法求解。基于Ansys Workbench平台的System Coupling模块实现数据传递,完成耦合计算。通过与绕流刚性梁尾涡的发放特征进行比对,分析结构振动对尾涡发放的影响。研究结果表明,振动对尾涡场结构以及尾涡发放频率有较大影响。与绕流刚体相比,弹性梁自由端的振动使得附连流体的运动状态发生改变,导致尾涡形成区长度变短,宽度增加,速度亏损增加。弹性梁结构自由端附近尾流场涡旋中心的强度高于刚体结构的尾涡强度,但其空间衰减梯度较大,使得远场涡强较低。     

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。     

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.     

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。     

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.     

喷水推进泵驼峰区波峰与波谷内流作用机制

喷水推进泵一般选用轴流泵或导叶式混流泵。高比转速的混流泵和轴流泵在流量-扬程曲线上容易出现驼峰甚至双驼峰,当运行在驼峰区域时,泵和整个系统都可能会出现流动紊乱和振动噪声加剧等问题。在舰船变速航行时,喷水推进泵需要相应地改变转速;在变速过程中,喷水推进泵可能会进入驼峰区域,不利于舰船高效且低噪声地航行,进而影响乘员的舒适度与舰船的隐蔽性,甚至会对推进系统造成破坏。该文研究对象为带导叶的混流式喷水推进泵,基于标准轴（混）流泵试验台和高精度试验测试方法,获得了试验泵的水力性能曲线,试验发现其存在明显的能量特性曲线驼峰现象且伴随振动加剧;根据喷水推进泵试验泵几何模型建立了流体域三维模型,并采用精细化结构化网格划分。研究发现：在波谷工况时,叶轮流域内在展向高度较高位存在明显的低速涡团,不同流道间的低速涡团存在结构和尺度差异;A区域中的流速虽然较低但仍然呈螺旋前进,B区域中流速更低且旋转程度更大,C区域中的流速比A和B区域中稍高。而在波峰工况时,叶轮流域中的流动更均匀且更平顺,在流道中的稳定流动结构明显减少。     

指挥台围壳对潜艇尾流影响的计算研究

基于RANS方程利用SSTκ-ω湍流模型计算潜艇尾流场.把围壳划分为进流段与去流段两部分,设计三种新型围壳,并进行数值模拟,采用系列分析方法对尾流品质进行评价.对接合部涡与围壳尾流沿艇体的发展进行了分析.研究表明:光顺过渡的前缘型式较为合理地改变了涡量在桨盘面的分布,有助于改善尾流,光顺过渡的顶部型线可有效抑制梢涡的发生.     

Magnus效应旋转圆柱水动力性能分析

为研究Magnus效应旋转圆柱水动力性能，采用大涡模拟（LES）模型对Magnus效应旋转圆柱进行数值模拟，分析旋转圆柱的长径比、转速比、雷诺数对其升力及三维流场的影响，模拟旋转圆柱升阻力变化趋势和尾部流场涡的脱落过程。结果表明：当转速比大于1.5时，旋转圆柱的升阻比随长径比一直增加；升阻比随转速比的变化规律是以1.7为界先升后降；旋转圆柱脱落的旋涡轨迹与来流形成一定的夹角，且角度会随转速比逐渐增大；当转速比大于1.75时，卡门涡街消失，旋转圆柱尾涡长度逐渐缩短，最终只有圆柱上表面发生涡旋脱落，下表面的涡不再脱落，附着在圆柱表面；雷诺数会改变旋转圆柱尾部流场，使升阻比先增加，达到峰值后以相反趋势下降。     

二维圆柱绕流的离散涡数值模拟

圆柱绕流在工程中广泛存在,通过引入离散涡方法理论,阐述了数值模拟的基本思路和具体过程.从满足物面条件的方式出发,构建了2种便于计算实现离散涡模型,数值模拟了大雷诺数条件下的二维圆柱绕流流场.模拟结果与试验和其他数值结果吻合较好,表明2种模型在处理此类问题时的经济和适用性.利用镜像法模拟所得结果较流函数方法更加精确,说明还需要对流函数模型进行更为精确的描述.     

潜伏式高速船型变航态自航数值模拟

针对一种具有半潜-水面航态变换功能的新型潜伏式高速船型,基于非稳态RANS方程组与VOF模型求解粘性流场,结合动态流域边界与滑移网格技术,对目标船在垂直面内三自由度运动及其喷水推进器叶轮随船定轴高速旋转的耦合运动进行数值模拟。结果表明：在相同主机平均转速条件下,所预报自航点体积傅氏数与自航模型试验结果的相对误差在7%以内;从半潜到水面的航态变换过程中,船体有显著的纵倾与升沉,船体主要克服压差阻力,船体兴波由相互叠加的首波、肩波、尾波逐渐发展为首尾分明的两个波系,在喷水推进器射流区内捕捉到生成和发展的高强度涡系。     

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%。     

斜流作用下清洗机器人流场大涡模拟

针对清洗机器人受水流作用的工作稳定性问题，采用大涡模拟方法对雷诺数Re分别为300、3 000、30 000等3种来流条件下的水下机器人流场动力学特性进行数值模拟，分析其时均流场、瞬态涡结构和受力特性。结果表明：紧贴船壳壁面的水下机器人周围流场稳定性很高，壁面效应使机器人尾涡脱落受到抑制；随雷诺数增加，流体边界层厚度减小，阻力系数和侧向力系数逐渐增大；雷诺数为30 000时，阻力系数为0.53，侧向力系数为0.28，侧向力控制是水下机器人后续研究的重点。研究结果能为清洗机器人工作过程的稳定性研究提供理论依据。     

基于LES与Powell涡声理论的孔腔流激噪声数值模拟研究

孔腔流动中含有复杂的流体振荡,不但能够引起明显的噪声,而且会造成物体脉动压力和阻力的急剧增加,因而孔腔流动与流激噪声已经成为流声耦合研究领域的重要内容。文章首先对于Powell涡声理论进行了介绍,给出了涡声方程及其求解的详细推导过程,随后利用圆柱/机翼组合体与方腔流激噪声测试结果验证了计算方法的可靠性,最后采用大涡模拟方法结合Powell涡声方程数值计算了两型孔腔在不同水速下的流激噪声,并与中国船舶科学研究中心循环水槽试验结果进行了对比分析,结果表明数值计算方法能够较准确地预报孔腔流激噪声,并能展示孔腔内外涡旋结构。计算结果表明:在500 Hz以下的低频段,格栅1型孔腔的流激噪声显著高于格栅2型孔腔;在500 Hz-10 k Hz高频段,格栅2型孔腔流激噪声比格栅1型孔腔高,但随着流速的增高,两种孔腔流激噪声在高频段的幅值基本一致。这些现象与孔腔内的涡旋结构密切相关。文中对孔腔流激噪声的数值预报方法进行了验证,有益于理解孔腔非定常流动的物理机理,且为抑制孔腔流激噪声奠定了基础。     

吊柱干涉作用下吊舱推进器的激振力特性

为了探究螺旋桨与吊柱干涉作用下的吊舱推进器激振力特性，采用延迟分离涡模拟方法，开展均匀来流下吊舱推进器非定常敞水数值模拟，获得0.60、0.82和1.00等3种进速系数下螺旋桨推力、扭矩及吊舱表面压力脉动特性。结果表明：均匀来流下受吊舱体作用，在吊柱前方产生局部高伴流区，使叶片周期性扫掠吊柱前方流场时发生叶面短暂压升，从而诱导轴向力及扭矩脉动，其特征频率主要为叶频；吊舱左右两侧表面压力脉动呈现非对称性，左侧与右侧对称测点压力差值为10%～20%；舱体前缘至后缘表面压力呈现先减后增趋势，主要特征频率为轴频及叶频；部分测点还捕捉到4倍轴频，可能与吊舱表面二次涡结构有关。