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.     

复合驱动仿生胸鳍机构设计与水动力研究

针对仿鱼型海洋探测机器人低速时的机动性问题,受鹞鲼鱼类依靠胸鳍摆动实现各种水下运动的启发,设计出一种基于共融理论的复合驱动刚-柔多体耦合仿生鱼胸鳍机构。通过构建基于三维非定常湍流控制方程组的柔性鳍摆动系统水动力学模型,研究仿生胸鳍柔性鳍面摆动时周围压力和速度场的变化情况,分析不同摆动幅度和频率下鳍面的水动力学特性,揭示仿生鹞鲼机器鱼的水下运动机理,对摆动胸鳍的水动力进行仿真。结论表明:鳍面摆动时周围的漩涡能够引起胸鳍面上推力、升力及侧向力按类似正弦变化,而推进力和侧向力的大小随摆动幅值和摆动频率增加而增大。     

推力鳍对吊舱推进器水动力性能的影响

考虑利用螺旋桨旋转尾流能量以及提高航向稳定性,提出一种带推力鳍的吊舱推进器,采用CFD方法计算其不同进速下的推力系数、转矩系数以及侧向力,并与常规吊舱推进器水动力性能进行了比较。结果表明,加推力鳍后推进效率最大提高达1.6%,航向稳定性也明显改善,鳍的存在有效分割了螺旋桨旋转尾流,引起诱导速度及舱体压力的变化。     

线翎电鳗仿生鳍水动特性研究与试验测试

以线翎电鳗为仿生对象，设计一款鳍条驱动的波动长鳍，建立其运动学模型，采用SST k-ω湍流模型对三维非定常不可压缩流体的N-S方程进行求解，研究波动鳍的水动特性并分析波动鳍摆动角度、摆动频率等运动参数对波动鳍推进性能的影响。针对波动鳍需要经常贴近水底工作的情况，研究波动鳍与底面距离的变化对推进性能的影响。研究表明：在波动鳍运动时，鳍面两侧形成较为明显的反卡门涡街，从而在波动鳍的尾部形成一股射流，产生向前的推力；波动鳍的推力和横向力都随着摆动角度、摆动频率的增加而增加，但在一个时间周期内，推力的波动次数大约是横向力的2倍；波动鳍与底面距离的变化对波动鳍的推力影响很小，但当波动鳍与底面距离小于波动鳍宽度的1/5时，波动鳍的横向力明显增大。通过试验验证了数值模拟结果的正确性与合理性，该研究可为高性能波动鳍推进器的设计提供理论依据。     

桨后舵附推力鳍理论计算

螺旋桨与舵附推力鳍,分别采用升力面法和基于速度势的面元法计算,两者之间的相互干扰采用迭代计算。在计算面元的影响系数时,应用了Morino导出的解析计算公式,以加快数值的计算速度。分析了不同螺旋桨尾涡模型对舵附推力鳍水动力性能的影响,并提出一种新的螺旋桨尾涡模型。计算了加装舵附推力鳍之后螺旋桨尾流场周向诱导速度沿径向的分布。对影响推力鳍助推效率的几个主要参数进行了变尺度研究。     

不同纵摇轴位置下的二维柔性鳍推进性能与流场特性研究

利用FLUENT软件数值计算了二维柔性鳍作升沉纵摇运动时的推力系数及推进效率，探讨了修正Bose变形方程、均匀载荷和非均匀载荷悬臂梁变形方程等三种柔性模式下纵摇轴位置对摆动鳍推进性能的影响，其中纵摇轴在尾缘处能够获得更大的推力，而最高的推进效率分别对应修正Bose模式下纵摇轴距首缘1／3弦长处和悬臂梁柔性变形模型下纵摇轴距首缘2／3弦长处．同时计算分析了斯特劳哈尔数、最大攻角等参数对柔性鳍水动力性能的影响，建立了最大推力系数和最高推进效率所对应的参数区间，其中低St数的最高推进效率发生在低αmax，高St数的最高推进效率发生在高αmax．     

基于CFD的拖式吊舱推进器斜流状态下数值模拟

采用FLUENT软件计算了某拖式吊舱推进器在直航以及斜流状态下的水动力性能.采用滑移面网格方法以模拟桨叶、支架、以及舱体之间的非定常干扰.文中首先计算了直航时不同进速系数下的桨叶推力系数、扭矩系数,并与实验结果进行了对比.计算了在不同斜流角(15°、30°、45°)、不同载荷系数时桨叶本身的推力系数、扭矩系数、侧向力系数与直航时(0°)的比较.文中还讨论了支架、舱体在直航以及不同斜流角时的侧向力问题,并将其大小与桨叶本身产生的侧向力进行了比较,部分计算结果与已有的实验值进行了比较、分析.     

基于RANS法螺旋桨毂帽鳍水动力性能数值研究

分析研究螺旋桨毂帽鳍水动力性能,应用RANS法处理数值粘性流场,数值过程采用FORTRAN语言处理螺旋桨毂帽鳍型值点数据格式以导入GAMBIT前处理软件进行建模。对DTMB4119桨数值计算验证和加鳍后其安装角对桨效率变化的影响,研究其尾流、压力分布等状况,结果表明,合理的安装角明显提高其推进效率,毂帽鳍对流经螺旋桨的流体有一定的阻滞作用,且具有降低尾流速度以减小毂涡形成和增加推力,同时产生转向相同转矩以提高推进性能,具有工程实用性。     

舵球鳍参数对扭曲舵水动力性能的影响研究（英文）

文章对桨后普通舵和扭曲舵的水动力性能进行了试验研究,并采用计算流体力学方法对桨舵系统的水动力性能进行计算,得到了不同进速系数下的推力系数、扭矩系数以及敞水效率,并绘制了敞水性能曲线。通过桨舵模型试验值与计算值的对比,验证了计算方法的可靠性。为了进一步提高扭曲舵的节能效果,在扭曲舵前安装了舵球,优化舵球的半径后在舵球两端安装推力鳍,通过优选推力鳍的各个参数(安装位置、展弦比和安装角),使桨舵系统的敞水效率逐步提高。确定了舵球鳍的最优参数后,桨—扭曲舵系统的效率进一步提高1.2%。最后通过观察舵表面压力分布、舵附近轴向速度和迹线分布,分析了舵球鳍对桨舵干扰的影响。     

舵球鳍参数对扭曲舵水动力性能的影响研究

文章对桨后普通舵和扭曲舵的水动力性能进行了试验研究,并采用计算流体力学方法对桨舵系统的水动力性能进行计算,得到了不同进速系数下的推力系数、扭矩系数以及敞水效率,并绘制了敞水性能曲线。通过桨舵模型试验值与计算值的对比,验证了计算方法的可靠性。为了进一步提高扭曲舵的节能效果,在扭曲舵前安装了舵球,优化舵球的半径后在舵球两端安装推力鳍,通过优选推力鳍的各个参数（安装位置、展弦比和安装角）,使桨舵系统的敞水效率逐步提高。确定了舵球鳍的最优参数后,桨—扭曲舵系统的效率进一步提高1.2%。最后通过观察舵表面压力分布、舵附近轴向速度和迹线分布,分析了舵球鳍对桨舵干扰的影响。     

电机-智能材料复合型仿生鳍设计及分析

针对目前开发的仿生鱼鳍驱动方式及其功能单一等不足,提出一种电机-智能材料复合型仿生鳍。首先介绍仿生鳍机构原理及设计思路,对仿生鳍单元的运动关系进行建模;结合动力学仿真软件分析不同曲柄长度时鳍条运动角位移、角速度和角加速度随时间的变化情况;最后试验测试仿生鳍推进器的平均推进速度和平均推进力随鳍条运动频率的变化情况,并比较分析相同运动学参数下鳍条摆幅从根部至端部逐渐增大运动模式和鳍条摆幅从根部至端部等幅运动模式推进性能的差异。该研究充分利用机电系统响应速度快和驱动力大的优势,结合智能材料形状记忆合金功重比高和柔性驱动等优点,使仿生鳍不仅实现了两种驱动方式上的融合,而且通过仿生鳍的多种运动方式(波动、摆动以及复杂三维柔性运动),满足了巡游、转弯以及稳定性调节等多种需求。     

Hydrodynamics study of a BCF mode bioinspired robotic-fish underwater vehicle using Lighthill’s slender body model

This paper investigates the hydrodynamic characteristics of the rectilinear motion of a robotic fish underwater vehicle. This 2-joint, 3-link multibody vehicle model is biologically inspired by a body caudal fin carangiform fish propulsion mechanism. Navier–Stokes equations are used to compute the unsteady flow fields generated due to the interaction between the vehicle and the surrounding incompressible and Newtonian fluid (water) environment. The NACA 0014 airfoil aerodynamic profile has been designed to boost the swimming efficiency by reducing drag as the vehicle undergoes an undulatory/oscillatory motion. Using the Lighthill slender body model, a traveling wave mathematical function is defined to undulate the robotic fish posterior (caudal) region while the motion tracking is carried out by dynamic meshing technique. The results obtained show that though the net lift force approaches to zero, the net thrust or negative drag coefficient maintains a finite value dependent on kinematic parameters like tail beat frequency (TBF) and amplitude span (AS) at a given propulsive wavelength and the forward velocity of the vehicle. The results reveal the effects of TBF and AS on the coefficient of drag friction and the thrust force. Drag coefficients obtained from the simulations are compared and validated with the experimental results. The hydrodynamic results are found to be similar to the kinematic study results and suggest that TBF and AS play the most effective roles in the bioinspired propulsion technique. Relation of these parameters with propelling thrust force and forward velocity is also in conjunction over a given range of TBF and AS values.     

输入扰动对波动鳍推进性能影响的研究

输入扰动对波动鳍推进性能影响是一个新兴的研究领域。本文分析了高频率、小幅度和短波长的正弦波形叠加于波动鳍上时对波动鳍推进力的影响。建立运动学模型,利用四面体网格对计算区域进行划分,采用非耦合隐式求解器求解非定常不可压缩N-S方程和连续性方程。给出计算条件,并对算法给予验证。比较等波幅和变波幅两种正弦扰动波形下,波动鳍的无量纲阻力系数、阻力系数均值以及涡量场随周期(0.05 s、0.1 s、0.3 s、0.5 s、0.8 s)、幅度(0.0008 m、0.001 m、0.0015 m)和波长(0.002 m、0.008 m、0.012 m)的变化情况,从涡动力学角度对该影响进行解释。结果显示:输入扰动不仅影响了波动鳍前缘涡的传递,并对波动鳍周边及尾迹区域漩涡数量和强度产生了改变。除在特定条件外,输入扰动对波动鳍推进力产生负面影响,变波幅扰动的影响要大于等波幅情况。该研究可为波动鳍选择合适参数的输入扰动以提高推进力提供参考。     

基于推力数值计算的喷水推进船快速性预报与验证

为实现对喷水推进船航速的快速、精准预报,基于ANSYS-CFX软件平台建立喷水推进器推力的计算流体力学(CFD)模型,采用分块六面体结构化网格离散计算域,采用稳态多参考系法求解雷诺时均的Navier-Stokes方程和SST湍流模型,对喷水推进器内的流场进行数值模拟.采用壁面积分法获取喷水推进器的等转速推力曲线,将其与船阻力曲线相叠加,通过求曲线的交点预报航速.选取可提供推进特性图谱的船A、带双级轴流式喷水推进器的船B和带混流式喷水推进器的船C为例,验证该方法的准确性.结果表明:船A配置的喷水推进器的推力计算值和航速预报值与厂商提供的数值吻合良好,船B和船C的航速预报结果均与实船试航值比较接近,最大偏差小于0.5 kn.结果验证了计算模型的可信性和适用性,进一步表明该方法可较好地指导喷水推进器厂商根据船舶所有人的需求便捷地选出合适型号的喷水推进器.     

New method for predicting full-scale power performance of pumpjet propulsion system based on statistical learning北大核心CSCD

[目的]针对“适配于螺旋桨的船尾线型+泵喷推进器”构成的船舶泵喷推进系统,提出一种基于统计学习的实船快速性预报新方法。[方法]以某大型水面船舶泵喷推进系统为对象,通过神经网络学习典型推进泵的推力系数图谱曲线,综合运用船-桨配合时的K_(T)-J曲线和船体-喷泵配合时的推力特性曲线,建立“仅需船舶阻力曲线就能实现船舶泵喷推进系统实船快速性预报”的新方法,并基于船模阻力试验、泵喷模型敞水试验及船体-泵喷自航试验的测量换算结果对实船推进性能的预报结果开展精度校验。[结果]校验结果表明:在航速18~30 kn范围内,船舶泵喷推进系统的自航转速、推力和功率的预报误差可控制在5.4%以内,其中设计航速附近的误差甚至小于2%;船体-泵喷的相互作用程度介于船-桨与船体-喷泵之间且幅值相对较小,推力减额系数为趋向于0的极小值,故船舶泵喷推进系统是介于桨轴推进系统和喷水推进系统之间的产物。[结论]该预报方法有利于提升船舶泵喷推进系统实船快速性预报的能力,可为新型舰艇泵类推进系统总体设计/研究提供参考。     

仿生机器鱼胸尾鳍协同推进的水动力学分析

利用CFD技术对仿箱鲀科胸尾鳍协同推进机器鱼的水动力学特性进行分析,将整个机器鱼放入流场,对其胸鳍推进模式、尾鳍推进模式和胸尾鳍协同推进模式的水动力学特性进行对比,得出不同模式下机器鱼水动力学的变化规律。分析得出,在压力变化云图中,胸尾鳍协同推进产生的压力变化最为复杂;在速度涡量变化图中,胸尾鳍协同推进产生最为复杂的涡量变化,胸鳍运动产生的涡会逐渐脱落向后移动,与尾鳍产生的涡互相作用,增加尾鳍的推力,从而证明胸尾鳍协同推进模式是一种高效的推进机制。     

基于分离涡模拟的对转舵桨水动力性能数值分析

基于OpenFOAM 软件平台,采用改进的延迟分离涡模拟(IDDES)模型,结合滑移网格方法,对一组对转桨和对转舵桨的水动力性能进行数值预报,并利用快速傅里叶变换(FFT)对推力系数进行频谱分析。对转桨数值计算结果与模型试验结果比较,推力、扭矩系数以及推进器效率的误差分别在3%、2%和5%左右,验证了该数值方法的可行性。对转舵桨数值计算结果提示:压差阻力是吊舱和立柱阻力的主要成分,在立柱的前端存在回流,对立柱的优化设计可以从这两方面入手;立柱和吊舱的存在能够减小轴承力导致的振动。     

船舶推进轴系故障特征信息识取方法比较

为研究不同船舶推进轴系故障特征量提取方法的优缺点,针对船舶推进轴系故障振动信号的瞬态(脉冲)和周期性2个特点,介绍快速傅里叶变换(FFT)、EAF和EEAF3种周期故障特征信息识取方法,并在实船试验中就这3种方法的适用性、准确性和复杂程度等进行比较分析。结果表明:EEAF相比FFT和EAF,能快速、准确地提取船舶推进轴系周期性故障信息的特征频率及其振幅,具有良好的稳定性,可专门用于船舶推进轴系故障分析和诊断。     

直接边界元法时域全非线性兴波计算

文章在时域中采用直接边界元的方法计算模拟了以稳定航速运动的近水面潜体全非线性兴波现象.从格林定理出发,在边界面上布置Rankine源和偶极子,采用时间步进的方法计算模拟潜体近自由面运动的兴波现象.每个时步自由面上的势和节点位置采用全非线性拉格朗日自由面边界条件求解,重新生成自由面网格准备下一个时步计算的初始条件.文中给出了数值计算的结果并与试验和线性计算的结果相比,证实了该方法是可靠的,并可以利用该方法建立数值波浪水池.