无人艇集成电机推进器设计及流体动力数值仿真

为了给现有水面无人艇提供可靠和具有经济性的动力来源,设计一种集成电机推进器来替代传统推进器。该推进器采用永磁无刷直流电机设计,是吊舱推进器和导管螺旋桨的集合。分别采用Ansoft Maxwell上的RMxprt模块对电机进行参数化设计,通过移动参考系法(MRF)和滑移网格法(RBM)对集成电机推进器的流场进行仿真。计算结果表明,采用多极数和多槽数电机设计的有桨毂型集成电机推进器具有更低成本和可行性;由于其不存在叶梢间隙,相比于采用相同螺旋桨的导管桨轴向诱导速度偏低,推力和效率不如导管桨。     

扭矩平衡式水下机器人推进器研究

某些水下机器人横向尺度较小,往往与其主推螺旋桨直径处于同一量级;螺旋桨旋转所带来的扭矩会使机器人产生明显的横倾;所以,在水下机器人的推进器设计过程中就必须考虑保持机器人的纵向稳定性.该文就此问题提出了一种集成式扭矩平衡推进器,该推进器利用与保护导管相连的后置定子产生反扭矩来平衡螺旋桨旋转产生的扭矩,导管、导管支架、定子与驱动主机集成为一体,推进器整体无扭矩输出,通用性强.此后给出了推进器的理论设计方法及过程,应用面元法理论对所设计推进器进行了水动力性能计算分析.最后讨论了定子各参数对推进器性能的影响.     

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。     

无轴轮缘推进器流热耦合研究

无轴轮缘推进器将永磁电机与螺旋桨集成一体，螺旋桨旋转时对电机电磁损耗与流场换热特性产生影响，进而改变各部分的温度分布。采用有限元法（FEM）计算推进电机的电磁损耗，采用有限体积法（FVM）建立流体场和温度场仿真模型，对推进器的电磁-流-热耦合问题进行仿真分析。通过对比仿真和试验结果，验证了流热耦合仿真方法的有效性。在此基础上，推导了螺旋桨转速与集成电机的损耗关系，并利用仿真模型分析了在不同进速系数、不同转速、不同间隙下推进器电磁损耗及流体场对推进器散热的耦合影响。结果表明，外域水流对推进器的温升影响较小，当间隙流速达到一定程度时散热减缓；推进器螺旋桨转速与集成电机电磁损耗存在幂次方关系；推进器主要靠间隙流体的流动带走热量，间隙大小会影响推进器散热，应合理选择推进器间隙尺寸。     

桨舵组合式节能推进器设计及水动力性能验证

为减小螺旋桨尾流能量耗散,提高桨舵系统的推进效率,开展桨舵组合式推进器设计研究。首先,基于适伴流设计思想结合面元法编制最大阻力减额的扭曲舵设计程序,获得桨后舵不同展向位置的扭曲角度,并通过与一前端削平的舵球及桨毂光顺连接形成桨舵组合式推进器的设计方案。然后,采用数值仿真分析获得均匀流场中桨舵组合式推进器的水动力性能、压力分布与流场特性等细节,初步验证设计方案的合理性。最后,开展船后桨舵组合式推进器的水动力性能试验,获得不同航速下螺旋桨和舵的水动力性能。试验结果表明,桨舵组合式推进器较原型桨舵推进器的效率在全航速段均有一定程度的提升,在设计工况点提升值达2.7%,证明设计方法正确,设计方案合理可行。     

无轴轮缘推进器电机与水力部件耦合优化设计研究

针对目前无轴推进器电机与水力部件设计时多未考虑两者耦合的问题,本文提出两者耦合的优化设计方法.采用多参数非线性优化方法,基于电机和导管螺旋桨设计理论公式,并考虑无轴推进器电机转子的直径等同于螺旋桨内径加上叶梢间隙,以及螺旋桨输出转矩加上间隙的摩擦转矩值作为电机输入转矩的关系,建立了一种新型优化设计模型,通过优化方法进行迭代分析,利用5.5 kW无轴推进器进行方法验证.研究结果表明,所提出的优化方法有效地考虑了无轴推进器电机与水力部件的耦合关系,可对推进器效率进行综合优化.     

浅谈螺旋桨消涡鳍设计

本文基于势流理论与CFD流场分析相结合的粘势耦合的方法,实现消涡鳍和螺旋桨的权衡优化设计,实现推动船舶推进节能设计的发展,为今后节能推进器一体化设计研究提供相应的技术参考。     

降低导管推进器噪声的措施

推进器噪声的主要来源通常是螺旋桨空泡，但减少推进螺旋桨空泡的传统方法不一定适用于导管推进器。文中阐述了减少推进器噪声的必要性及其措施，研究结果表明，设计适当的弹性安装的推进器与浮筑地板相结合，可降低噪声20-25dB（A）。     

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.     

带前置定子导管桨流场数值分析及验证

利用求解雷诺平均NS方程的数值途径模拟带前置定子导管螺旋桨周围的流场,其中网格系统采用卡笛尔的网格和四面体/棱柱体网格相结合的方式,这样较好地保证了网格的质量和正交性,利用混合面技术处理转动部件和非转动部件间边界条件。通过与LDV的流场测试结果的比较,表明文中采用的数值方法可以较好地模拟复杂组合推进器内的流动过程,为设计性能优良的工程产品服务。     

低速大推力导管桨水动力性能预报及优化设计

为研究低速大推力导管桨水动力性能,应用商业软件Fluent,采用RANS方法结合k-ω湍流模型,开展了对原型和改型导管桨敞水状态下的数值计算。采用多运动参考坐标框架(MRF)技术,通过局部网格加密,来模拟桨叶和导管间的间隙流动。重点考察了设计工况点的水动力性能,压力分布等,通过计算分析,对导管桨(包括桨叶、导管以及前后定子)进行了优化设计。研究发现,导管桨在低速高负荷状态下,桨叶吸力面叶梢附近有很大的低压区。提高导管推力占比,可较大幅度提升推进效率。优化后置定子,能使效率得到一定提升。相关结果进行了试验验证,吻合良好,表明该数值研究方法可靠,具有广阔的工程应用前景。     

用基于速度势的面元法预估导管桨的非定常性能

本文提供了一个计算导管螺旋桨的定常及非定常性能的基于速度势的非定常面元法,桨和导管的相互影响是通过在时域范围内迭代计算处理.关于桨泄出涡与导管泄出涡之间的非定常干扰在时域内匹配,本文推荐采用考虑它们非定常影响的简化处理方法,以减少计算时间,提高计算效率.算例计算结果表明,本方法可以有效地应用于导管桨的定常及非定常性能的预估.     

面元法预估导管螺旋桨定常性能的一种简便方法

用基于速度势的低阶面元法建立预估导管螺旋桨定常性能的计算方法,即对导管和螺旋桨都采用面元法,在计算面元的影响系数时计入导管和螺旋桨的相互影响。将对JD简易导管桨的计算与实验结果进行比较表明,该方法可以有效地应用于导管桨的定常性能计算。     

基于重叠网格的导管桨非定常水动力性能数值模拟

为了研究特种推进器导管桨在非定常下的水动力性能,本文提出一种基于重叠网格的方法,实现了导管桨旋转过程中的非定常水动力性能仿真高精度模拟。本文通过求解RANS方程,采用湍流模型Realizableκ-ε,借助新款计算流体软件STARCCM+,应用重叠网格技术和MRF模型分别计算了导管桨在非定常与定常时的水动力性能,分析了压力流场细节,并与已有试验值进行对比,验证了采用重叠网格技术和STAR CCM+流体软件应用于导管桨非定常和定常水动力性能计算的可靠性。研究结果表明,应用重叠网格技术获得的非定常水动力性能的计算精度更高,尤其是在螺旋桨的推力和扭矩方面。     

导管剖面设计对导管螺旋桨水动力特性的影响

运用计算流体的方法对导管螺旋桨的叶梢漩涡、螺旋桨周围流场和推力特性进行计算,并且通过组合不同类型的导管对比分析了梢涡的改善方法和推力性能的优化方案.计算结果表明:调整导管螺旋桨中的导管迎角,并延长导管有助于改善导管螺旋桨梢涡的产生和改善桨毂后的尾流,有利于提高导管螺旋桨的稳定性;增大导管迎角并延长导管能够使桨叶上荷载和推力分布更加均匀;在进速系数J=0.4左右,导管螺旋桨性能更优,也更高效.本文结论有助于设计出性能优良的导管螺旋桨.     

导管螺旋桨定常性能预估的基于速度势的面元法

开发了一个导管螺旋桨定常水动力性能预报的数值计算方法,其中,螺旋桨和导管均采用定常面元法,通过迭代计算考虑桨和导管的相互影响.该方法也可用于导管调距桨在不同转角时的定常性能预估.对JD7704和19a导管螺旋桨以及JD导管调距桨的计算结果表明,该方法计算精度是令人满意的.     

导管参数对导管桨水动力性能的影响研究

基于CFD数值计算,计算19a导管与Ka4-70桨敞水性能。研究了导管长度,前缘形状以及导管与桨之间的间隙变化对导管桨敞水性能的影响。计算结果表明,导管能够改善螺旋桨尾流。对于导管长度,存在最优长度使得导管桨敞水性能最好。19a导管前缘形状是最优的,改变前缘形状会降低导管桨的敞水性能。当间隙在一定范围内,导管与螺旋桨之间间隙越小,敞水性能越好。非对称上下间隙对导管桨的敞水性能影响较小。     

面元法预估导管螺旋桨水动力性能的一种新方法

采用一种新的方法预估导管螺旋桨的水动力性能；导管和螺旋桨均采用基于速度势的面元法，它们间的影响通过相互的诱导速度势数值迭代来体现．与诱导速度体现相互影响的方法相比，本文方法可节省编程及计算时间；对JD系列导管螺旋桨的计算与实验结果的比较表明，该方法可以有效地预估导管螺旋桨的水动力性能．     

桨后整流支架的设计方法

简要分析了桨后整流支架的特点及其一般设计原则,以及基于动量理论、叶素理论和理想螺旋桨理论阐述了桨后整流支架的设计方法,最后给出了一个基于该设计方法的设计实例,并将本设计方法的计算结果与试验结果进行了分析比较,进一步验证了该方法的可行性。     

带前置定子的导管桨片空泡数值预报及梢涡空泡起始判别研究

对水下航行体后带前置定子的导管桨片空泡和梢涡空泡起始进行研究。首先,采用基于混合网格的RANS求解器结合Singal空泡模型,数值模拟带前置定子导管桨片空泡形态,并与试验结果进行对比,预报的片空泡形态与试验结果吻合良好,表明用该方法预报水下航行体后带前置定子导管桨片空泡可行;其次,对水下航行体后带前置定子的导管桨多个方案全湿流动进行了数值模拟,通过梢部端面的最小压力值判断空泡起始,与试验结果进行比对,其吻合良好,表明可用该方法判别梢涡空泡起始。