舵空化的精细流场及其非定常水动力性能数值计算

[目的]为深入研究舵空化时的精细流场及其非定常水动力性能的相关规律,[方法]针对某型船的桨、舵模型进行建模,采用结构化网格、SST k-ω湍流模型和流体体积(VOF)方法对舵空泡进行计算。针对舵空泡问题进行实船观测试验,将舵空泡的计算结果与实船舵空泡的观测结果进行对比,验证数值方法的可靠性。对舵空泡的周期性变化进行探讨和分析,并基于空化和非空化2种状态对3种舵角下的舵空泡进行计算。[结果]结果显示,当空化范围较小时,空化对舵力时均值的影响较小,随着空化范围的增加,空化对舵力时均值的影响明显变大,尤其是舵效显著降低;一旦发生空化,舵非定常力的脉动幅值将大幅增加,且空化范围越大,舵非定常力的脉动幅值越大。[结论]研究结果可为评估空化发生后舵的水动力性能及舵的优化设计提供技术支撑。     

舵空泡对船体压力脉动的数值分析

[目的]船舶航行时舵表面发生的空泡将使船体产生振动和噪声,为了研究舵空化效应引起的船体压力脉动及其影响,[方法]基于Star-CCM流体计算软件,对实船在某航速下在5°和10°舵角航行时产生的空泡进行预报,分析船体压力脉动产生的规律。[结果]分析结果表明,舵空化效应对船体压力脉动有直接影响;在5°,10°舵角工况下,舵空化对船体造成的压力脉动幅值远大于舵表面不存在空化时船体表面的压力脉动幅值,舵发生空化效应越剧烈,船体表面压力脉动的波动幅值就越大。[结论]研究结果论证了舵空化效应对船体的振动和噪声有着直接影响。     

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。     

浅水效应对螺旋桨轴承力的影响分析

为了分析浅水条件对螺旋桨轴承力的影响,本文采用RANS方法和VOF模型,对计及自由液面的KCS船桨舵一体系统开展了不同吃水条件下螺旋桨非定常轴承力的数值预报分析。首先计算了深水(h/T=20)工况下的螺旋桨轴承力,通过与试验结果对比,验证了网格划分方法和计算方法的可行性。然后在此基础上进行了不同吃水工况下螺旋桨非定常力计算,监测发现螺旋桨非定常轴承力随时间周期性脉动,浅水条件下螺旋桨轴承力时均值明显大于深水工况。经快速傅里叶变换得到轴承力脉动幅值,分析得出:当h/T<3时,脉动幅值随水深增加迅速减小;当h/T>3时,水深变化对脉动幅值影响较小。     

超空泡航行体楔形舵片流体动力学特性数值模拟

舵片是保证超空泡航行体运动稳定性和控制航行弹道的重要部分。文章基于均质平衡流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,计算了单独舵片的流体动力特性,并与试验数据进行了对比,结果符合较好,验证了计算模型的有效性。基于此方法,计算了单独舵片发生空化后在不同操舵状态下的非定常流体动力变化。结果表明,在攻角相同时,操舵状态下舵片的非定常升力系数和定常结果差别不大,而非定常阻力系数大于定常结果,并且操舵速度越快,阻力系数越大。另外计算了舵片发生空化后的流体动力系数,结果显示在攻角相同时,舵片的阻力系数和升力系数均小于其在全湿状态下的结果;在空化状态下,舵片升力系数的斜率小于全湿状态,并且舵片升力系数的斜率是变化的,存在某临界攻角,攻角大于此临界值时,升力系数的斜率减小,而此临界攻角恰好为舵片的吸力面刚刚出现空化时的攻角;操舵状态下舵片的阻力系数和升力系数的变化规律与定常结果一致,但是数值偏小。     

带整流帽的半悬挂舵敞水水动力性能数值计算分析

利用计算流体力学软件FLUENT,基于RANS方程和RNGk?ε湍流模型开展了NACA0018型的半悬挂舵(带及不带整流帽)敞水水动力性能模拟计算。对比分析了两种状态下的升力系数和阻力系数,并研究了带整流帽舵的这些系数与舵角之间的关系,得出其在一定角度下的压力分布中心及舵力,为舵机选型提供理论数据。     

冰块阻塞状态的螺旋桨空泡激振力特性分析

针对极地船舶在冰区航行时的冰水混合环境对螺旋桨性能影响,本文采用RANS方法对不同冰块阻塞和压力状态的螺旋桨非定常空泡和水动力性能进行数值模拟,分析了冰块阻塞状态对螺旋桨空泡激振力的影响规律。结果表明,冰块阻塞状态的螺旋桨水动力性能由冰桨逼近的流场阻塞和桨叶空泡效应共同决定,冰阻塞物下游产生的低速低压回流区可改变螺旋桨附近流场结构和压力场分布,加剧桨叶空泡形态的不规则和螺旋桨空泡激振力的时域非定常性。从频域上看,冰桨阻塞作用造成螺旋桨空泡激振力的高阶量显著上升,空泡激振频率向高阶次移动。     

基于CFD方法的6500TEU集装箱船舵空泡腐蚀数值模拟研究

舵的空泡腐蚀研究在船型优化设计和新船型开发中具有重要意义。文章以6 500 TEU集装箱船的NACA0021舵为研究对象,通过对船、桨、舵整体三维建模,运用CFD方法在3D计算域下对舵的非定常空化现象进行数值模拟,得到了与试验比较一致的结果。同时还对改善舵空蚀现象的措施进行了分析。研究表明,通过整体建模的数值模拟方法对舵空泡性能进行预测研究,其结果是合理可信的。     

不均匀流场中非空泡螺旋桨诱发的脉动压力场计算(英文)

本文介绍了一种基于升力线理论考虑升力面修正的准定常处理方法及相应的计算程序。应用此方法,可计算不均匀流场中非空泡螺旋桨一系列水动力性能的周向径向分布;脉动轴承力的各阶幅值及相位分布可以得解;由叶片厚度、叶片动态及静态负荷所诱发的自由空间脉动压力场利用源汇分布及压力偶极子分布亦可得解;数值计算表明该方法所计算的敞水性能及脉动轴承力与试验结果吻合良好。本方法可用于螺旋桨在均匀及不均匀流场中的性能预估及脉动轴承力六分力的理论预测,亦可用于进行非空泡螺旋桨在不均匀流场中诱发的自由空间脉动压力场计算。另外,本方法还可用于计算不均匀伴流场中各切面遭遇的脉动攻角及相应空泡数,以之作为输入数据可进一步依理论计算片空泡的几何形状,是空泡螺旋桨激振力计算的重要基础。     

桨后贝克舵的水动力性能研究

本文基于面元法理论对桨后贝克舵的水动力性能进行了研究。首先结合空泡水筒试验的试验结果检验了面元法程序的计算精度及可靠性,并将面元法计算所得水动力系数绘制成敞水性能曲线,对两种桨舵系统的水动力性能进行比较分析得出贝克舵的节能效果。然后改变桨与贝克舵之间的距离考察其对节能效果的影响,并与实验结果对了对比,结果显示,桨舵间距越大,桨舵系统的效率也就越高。     

基于舵机能力验证要求的舵系优化设计

在IACS统一解释文件UI SC246 Rev.1提出根据非满载试航船舶操舵试验结果对满载航行状态船舶舵机能力进行验证的换算方法之后,相当一部分采用半悬挂舵的船舶出现了无法按该方法通过舵机能力验证的状况。为解决上述问题,本文基于常规船型半悬挂舵的3种典型布置方案,通过设计相同的舵面积和不同的几何外形,得到3个计算模型,利用计算流体力学(CFD)方法对各方案的全浸没和部分浸没状态分别进行计算分析。计算结果表明,舵叶平衡比对舵杆水动力扭矩存在直接影响,适当大的舵叶平衡比设计可以显著降低舵叶全浸没状态和部分浸没状态的舵杆水动力扭矩。基于此结论,对某型未能通过换算验证的船舶舵系进行优化设计,适当增大了舵叶平衡比。后续船试航结果表明,舵机能力验证满足UI SC246 Rev.1的要求,确认了CFD计算结论的正确性,为以降低舵杆水动力扭矩为目标的舵系优化设计提供了理论和实践依据。     

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。     

斜流中的螺旋桨空化及压力脉动计算

以PPTC(Potsdam Propeller Test Case)桨为研究对象,进行了斜流中的螺旋桨空化及其诱导的压力脉动计算。基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,通过在梢涡区域进行网格加密,对梢涡空泡进行了数值模拟;计算得到的推力系数及各阶压力脉动幅值符合精度要求。研究表明:水中含气率是一个重要的计算参数,目前的算法下尚不能完全按照拖曳水池试验的实测值来设定;随着进速系数增大,推力系数减小,计算中的取值呈增大趋势;在重载时取值宜低于试验值2个量级,否则推力系数偏低且不易收敛;中载时,可以近似取试验值或略低;轻载时宜略高于试验值,否则推力系数偏高亦不易收敛。     

基于滑移网格与RNG k-ε湍流模型的桨舵干扰性能研究

结合RNG k-ε湍流模型,运用滑移网格技术对粘性流场中桨舵相互干扰引起的三维非定常湍流进行了计算,得到了随进速系数的变化,桨舵之间相互干扰性能的变化规律;同时获得了桨舵干扰性能随桨舵之间的距离的改变而相应的变化规律。文中给出了桨舵干扰水动力性能的计算结果,并与试验测量值作了比较。从对计算结果的分析可知,利用滑移网格技术及RNG k-ε湍流模型,可以较好地模拟桨舵干扰的水动力性能问题。同时文中分析了桨舵表面压强分布规律以及舵的存在对螺旋桨尾流场的影响。     

基于滑移网格与RNGκ-ε湍流模型的桨舵干扰性能研究

结合RNGκ-ε湍流模型,运用滑移网格技术对粘性流场中桨舵相互干扰引起的三维非定常湍流进行了计算,得到了随进速系数的变化,桨舵之间相互干扰性能的变化规律;同时获得了桨舵干扰性能随桨舵之间的距离的改变而相应的变化规律.文中给出了桨舵干扰水动力性能的计算结果,并与试验测量值作了比较.从对计算结果的分析可知,利用滑移网格技术及RNG κ-ε湍流模型,可以较好地模拟桨舵干扰的水动力性能问题.同时文中分析了桨舵表面压强分布规律以及舵的存在对螺旋桨尾流场的影响.     

小攻角下水下高速航行体超空泡流特性研究

为研究小攻角下水下高速航行体超空泡形态及水动力特性,利用商业CFD软件Fluent6.2,对小攻角下高速航行体超空泡流进行数值模拟,分析了空化数、攻角对水下高速航行体空泡形态以及水动力特性的影响规律.研究表明,攻角为能够明显改变空泡形态的轴对称性;攻角越大,航行体的阻力系数也增大,不利于超空泡的减阻,甚至会导致航行体的失稳.研究结果将为开展水下高速航行体超空泡实验研究提供理论参考.     

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。     

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。     

剪切流对水平轴潮流能水轮机水动力性能影响

为了研究剪切流下潮流能水平轴水轮机水动力载荷特性,本文基于CFD方法,建立剪切流模型,计算了剪切流下水平轴水轮机的水动力载荷,并分析得出剪切率对水动力载荷的影响规律。结果表明：剪切流情况下,水动力载荷系数时历曲线发生明显波动,除弯矩系数的波动频率和叶轮旋转频率一致外,其他系数的波动频率均是叶轮旋转频率的2倍,且剪切率越大,水动力载荷系数的波动幅值就越大;随着速比增大,弯矩系数的波动幅值逐渐增加,而侧向力系数波动幅值先增加再减小,在最优速比左右达到最大值。研究成果可为潮流能水平轴水轮机的结构设计和性能优化提供依据。     

扭曲舵空泡观测实船试验研究

为验证扭曲舵的抗空化效果,在前期完成扭曲舵设计及实船换装工作的基础上,首次在国内开展了扭曲舵和普通舵的空化实船观测对比试验,对两种舵在设计航速和最大航速下固定舵角工况和直航自动舵工况的空泡进行了比较.结果表明:在相同航速工况下,扭曲舵的舵面空化起始舵角可提高10°左右,可以消除舰船常用航行状态下舵面的空化问题;在高航速大舵角工况时,扭曲舵的空化面积远小于常规舵;在扭曲舵优化的基础上,防腐蚀电极新型安装结构和舵下端导流罩可以有效解决防腐蚀电极和舵下端面的空化问题.通过扭曲舵空泡观测实船试验,证明了扭曲舵具有良好的抗空化性能,为抑制水面舰船舵空化剥蚀、降低船尾振动噪声提供了有效途径,具有优良的应用前景.