波浪动力船水翼的推进性能分析

[目的]为研究水翼的水动力性能对波浪动力船推进性能的影响,对波浪动力船做垂荡及纵摇运动时引起的水翼绕船体中心转动,以及绕其自身转动中心的被动转动进行模拟。[方法]将波浪动力船的多体动力学方程编写到流体分析软件中进行计算分析。通过软件获取推进力及转矩来求解多体动力学方程,分析静水下波浪动力船在不同波浪振幅与周期、不同扭簧恢复刚度下的推力大小。[结果]结果表明:随着振幅的增加,前、后水翼上的推力均逐渐增大;随着周期的减小,水翼上的推力逐渐增大;随着扭簧恢复刚度的增大,水翼上的推力先增大后减小;随着前水翼尾迹的变化,后水翼推力逐渐小于前水翼上的推力。[结论]研究成果可为波浪动力船的研究设计提供参考。     

波浪滑翔器拍动水翼非稳态下水动力性能计算

波浪滑翔器的水动力性能主要取决于其拍动水翼的设计。在推进效率不变的情况下,采用动网格方法,基于RANS方程与标准的湍流模型,应用ICEM CFD软件和FLUENT软件,分别研究了翼型为NACA0008、NACA0012与NACA0016的拍动水翼的水动力性能,筛选出NACA0012翼型的水动力性能最佳。从工况角度入手,研究了NACA0012翼型拍动水翼的最大转动角度、波浪来流速度、波长及波高对拍动水翼平均推力的影响,定量评估了不同工况下的水动力性能。结果表明:当波浪滑翔器推进效率不变时,在非稳态条件下,翼型为NACA0012的拍动水翼的平均推力较大,水翼的水动力性能较好。     

振动半圆柱尾流中的二维摆动水翼推进性能研究

文章研究了粘性流场中半圆柱振动产生的旋涡对二维摆动水翼推进性能的影响。利用数值方法计算了振动半圆柱尾流中二维摆动水翼的水动力性能。计算结果表明,半圆柱涡和水翼涡之间存在4种相互作用模式。相反旋向的半圆柱涡和水翼涡相互作用时,摆动水翼的平均推力系数最大。相同旋向的半圆柱涡和水翼首缘涡相互作用并且最终融入到水翼尾缘涡时,摆动水翼能够从半圆柱涡中吸收能量。     

顶浪中首固定翼波浪推进艇的运动响应和航速预测

基于STAR-CCM+软件对安装首固定翼的无人艇在顶浪规则波条件下的运动响应和波浪推进航速进行研究。利用DFBI模块建立了波浪推进艇的数学模型,应用SST k-ω模型,结合VOF方法,对波浪推进艇在不同周期和波高条件下的运动响应进行数值仿真,得出波浪推进艇垂荡和纵摇运动频率响应函数(RAO)及航行速度。研究结果表明：随着波高的增大,水翼产生的推力逐渐增大;艇体的垂荡运动响应受波高影响较小,艇体纵摇运动响应由于水翼产生的阻尼效应随着波高增大而逐渐减小;波浪推进艇航行速度随着波高增大先增加而后迅速减小。     

波浪动力艇模型自航试验及数值仿真

为解决受控主动摆翼驱动装置复杂、机械效率较低的问题,研究依靠升沉运动产生的力矩来驱动俯仰运动的被动摆翼装置,并将其应用于波浪动力艇.在波浪作用下,将被动摆翼安装于艇体底部的一定位置处,产生的推力即可推艇前进.在模型试验中,通过改变波浪周期、波高和控制机构的设置,比较试验艇的自由航行速度.结果表明,试验艇的航速与波高呈正相关关系,且当波长与船长之比约为1.8时推进效果最佳.通过数值仿真,显示两种控制机构配置时的水翼工作过程,并估算在一定波浪参数下波浪动力艇可达到的航速,所估算的航速与试验结果吻合较好.     

不同形状摆翼推进器水动力性能的数值预报

[目的]为得到最优几何外形的摆翼,对不同形状三维水翼的水动力性能进行研究。[方法]运用NUMECA软件的Fine/Marine求解器,采用数值方法模拟NACA 0012水翼模型在不同参数(展弦比、根梢比、前掠和后掠)下的水中多自由度耦合运动流场,以得到不同几何参数及工况下的效率、推力系数和尾流场。通过模拟结果与实验结果的对比,以及网格无关性分析,验证数值方法的可靠性。[结果]结果表明,展弦比越大,水翼性能越优;对于展弦比相同而根梢比不同的梯形水翼,增大根梢比对水翼性能会产生消极影响;对于相同根梢比的前掠、后掠及梯形水翼,后掠形式性能优于前掠和梯形形式,后缘形状对水翼性能有显著影响。[结论]研究初步得到了较优摆翼推进器的几何设计参数,对各工况下摆翼推进器的尾涡结构特征有了进一步认识。     

高雷诺数下水翼涡发放频率预报方法

[目的]高雷诺数下水翼绕流问题因其原理复杂、计算困难,一直是水动力领域关注的热点。基于涡量—流函数的离散涡(DVM)模型是一种无网格方法,可有效克服数值粘性问题。同时,在涡量集中区分辨率高,可有效模拟高雷诺数流场中的旋涡运动。使用一种随机涡方法对高雷诺数下二维刚性水翼涡发放频率进行预报。[方法]以NACA 66系列水翼为例,与试验数据对比验证其对涡发放频率预报的准确性。应用此方法分析高雷诺数下来流速度及初始攻角大小对水翼涡发放频率的影响规律。[结果]结果表明:涡发放频率会随来流速度呈非线性增加;随着水翼攻角的增加,泄涡尺寸和涡强不断增大,泄涡频率降低。[结论]来流速度和水翼初始攻角对二维水翼涡发放频率有显著影响,可为螺旋桨桨叶二维剖面的涡发放机理探究,甚至全桨的振动噪声预报提供参考。     

基于振荡水翼波浪能回收的船舶节能推进研究

文章提出了在船体两侧用螺旋弹簧连接振荡水翼进行波浪能回收以实现船舶节能推进的设想。基于势流理论求解了顶浪情况下振荡水翼与船体的频域耦合水动力模型。采用吴耀祖推导出的二维水动力模型来预报水下振荡水翼在波浪中产生的推力、升力和转动力矩;同时用耦合的垂荡和纵摇模型来预报船舶的运动响应。两个模型均是在频域中进行建立,之间的耦合影响根据螺旋弹簧的力学特性加以模拟。以一艘集装箱船为例,对该方案的效果进行了研究。结果表明：当船舶的垂向运动较大时,振荡水翼能有效回收波浪能从而产生推进力;并且,水翼会对船舶的耐波特性产生影响。对水翼相对船体的纵向位置和螺旋弹簧刚度系数两个参数进行了研究,发现水翼连接位置应尽可能远离船中;而更高的刚度系数更有利于水翼产生大的推进力。由此总结出了一些提升系统性能的设计建议以供参考,并为开展水池试验打下基础。     

波浪中螺旋桨推力变化的近似计算

螺旋桨在波浪中随船运动是前进、旋转和振荡三者的结合。本文近似计算波浪中桨流体动力性能相对于静水中性能的变化,将波浪中螺旋桨运动分解为旋转兴波和振荡兴波两部分线性迭加。利用Ｇｒｅｅｎ函数法,求解其兴波问题,给出桨推力的变化值。编制程序进行了系列数值计算。结果表明,波浪中螺旋桨推力系数变化值随桨轴浸深、桨升沉振荡频率和幅值而变化。     

螺旋桨在规则波中推力和转矩变化的研究

本文叙述了敞水螺旋桨在规则波中有纵摇升沉运动情况下进行的模型试验,得到了在一定航速和不同波浪频率时螺旋桨推力和转矩随进速系数变化的性征曲线,给出了它们之间的关系式,可供初步估算。试验结果表明螺旋桨在波浪中的推力和转矩值均大于静水值。本文还利用三维 Green 函数法,以汇盘代替螺旋桨计算了桨在规则波中运动时的敞水水动力性能,并与模型试验比较,结果吻合良好。最后,计算了桨轴浸深对波浪中敞水桨推力和转矩的影响。     

竖轴潮流能水轮机被动变桨数值模拟研究

竖轴水轮机的旋转不受来流方向影响,但其自启动性能较差,能量转化率低于水平轴水轮机。根据已有研究,被动变桨水轮机在旋转过程中叶片经过多数方位角区域时升力有所提高。本文通过计算流体力学软件Fluent,给定叶片不同限位角,研究叶片在水动力作用下在限位角内的变桨对竖轴水轮机能量转化率的影响,将其与定桨距水轮机进行对比,为提高水轮机性能提供合理建议。     

水翼艇静水翼航性能的一种计算方法

本文提供了一种水翼艇静水翼航性能的计算方法。本方法根据首尾单独水翼模型试验资料、水翼系统的干扰特性、几何条件和艇的平衡方程组等,借助电子计算机计算水翼艇在整个翼航范围内(包括起飞状态)的航行状态、阻力及推力等性能曲线。问题的关键之一在于准确地估计首水翼对尾水翼水动力性能的干扰效应。作者运用水翼升力线理论的某些结果导出了常用形式水翼系统尾翼处的平均液面下降和平均下洗角的计算公式,并以此计算值来修正尾翼的工作状态。实例计算结果和试验结果是一致的。     

基于重叠网格方法的水轮机非定常水动力数值仿真

[目的]为了研究海流环境条件下水轮机的非定常水动力性能,[方法]采用基于重叠网格的动态流体固态相互作用(DFBI)方法,对水轮机在不同来流条件下的非定常水动力性能进行仿真分析。[结结果]研究结果表明:采用基于重叠网格的DFBI方法可以实现在启动过程的起步、加速和稳定3个阶段对水轮机转速、力矩和流场等瞬态参数进行监测;水轮机获能系数Cp在设计流速1.2 m/s附近出现峰值0.24,在流速动态变化条件下,水轮机的平均获能系数约为0.181,与设计流速为1.2 m/s时的获能系数相比下降了约33%。[结论]采用的基于重叠网格的DFBI数值仿真方法能够对实际海流情况下的水轮机被动旋转水动力特性进行监测,对实际工程设计具有较好的参考价值。     

波浪中螺旋桨流体动力性能变化的近似计算

螺旋桨在波浪中随船运动,总的状态应该是前进,旋转和振荡三者结合的。本文为了近似计算波浪中桨流体动力性能与静水的变化,将波浪中运动的螺旋发解为旋转兴波和振荡兴波两部分线性迭加。利用Ｇｒｅｅｎ函数法求解其兴波问题,从而给出桨推力的变化值。文章根据编制的程序进行了系列数值计算,结果表明：波浪中螺旋桨推力系数变化值随桨轴浸深、桨升沉振荡频率和幅值而变化。     

摆线推进器水动力特性三维模拟

摆线推进器在旋转过程中，叶片的迎流角实时变化以产生推力。文章将使用FLUENT软件，研究摆线推进器在不同工作参数下的水动力性能。根据摆线推进器的运动规律，编写相应的用户自定义函数（User Defined Function, UDF）控制叶片做摆线运动。在仿真中使用非结构网格、滑移网格方法来分析推进器叶片在不同转轴比、进速系数、转速以及偏心点时对摆线推进器水动力性能的影响。研究结果表明，在50%左右的转轴比、中高进速、较低转速以及小偏心点时，推进器的水动力参数波动较小，有助于维持推力以及叶片稳定性。     

双船间隙水体运动特性及水体阻尼修正研究北大核心CSCD

[目的]旨在修正势流理论在计算小间隙双浮体系统时由于无黏假设导致的结果失真现象,研究间隙水体的运动响应特性。[方法]建立过驳双船系统CFD数值计算模型,分析间隙水体的响应特点及机理。之后将CFD计算结果与势流理论计算结果进行对比,获得准确的双船间隙水体修正阻尼系数,从而修正势流理论的计算结果。[结果]结果表明,不同频率的波浪通过双船间隙时波面升高变化趋势不同,对于低频波浪,入射波不能穿过双船间隙,间隙的波面升高小于入射波的波幅;对于高频波浪,入射波可以从双船的间隙穿越,间隙内波面升高大于入射波的波幅;在特定波浪频率下,双船间隙存在一个高速区域,对应的双船内侧动水压力降低,产生较大的吸力,可能对过驳作业造成不利影响。[结论]通过上述方法得到了更为准确的间隙水体修正阻尼系数,为过驳双船系统的高精度、快速水动力及运动性能计算提供了指导。     

海洋浮式平台气隙的数值预报

以海洋浮式平台为研究对象,运用三维势流理论结合半经验Morison方程的方法计算了规则波下的水动力系数以及运动响应传递函数,并运用短期预报方法对平台气隙进行了分析。研究结果表明,其水动力性能与波浪频率密切相关,平台的气隙短期预报显示波浪在浮箱首尾部分负气隙严重,即有强烈的波浪砰击现象,平台结构设计时要充分考虑到该区域的波浪砰击载荷。     

螺旋桨在均匀流场中的非定常水动力数值模拟

采用滑移网格技术,使用基于求解RANS方程的CFD软件数值模拟均匀流场中的螺旋桨非定常水动力性能.为了真正实现螺旋桨的旋转运动,在计算过程中采用定长多运动参考系模型计算出初始流场,再用滑移网格模型完成整个计算.数值计算得到的推力系数和转矩系数与实验结果吻合良好,验证了该方法应用于螺旋桨水动力性能研究的可行性.     

海洋浮式平台气隙的数值预报

以海洋浮式平台为研究对象,运用三维势流理论结合半经验Morison方程的方法计算其水动力系数及运动响应传递函数。针对北大西洋百年一遇的海况,对平台气隙进行预报。研究结果表明:平台的水动力性能与波浪频率密切相关,平台气隙预报显示波浪在甲板箱首尾部分的负气隙严重,即有强烈的波浪砰击现象,这就要求平台结构设计时要充分考虑到该区域的波浪砰击载荷。     

船体伴流对直翼推进器水动力性能的影响

[目的]直翼推进器是一种特种推进器,其借助从船舶底部伸出并围绕垂直轴往复式摆动的桨叶产生精准且无级可调的推力,有必要研究敞水和伴流条件下直翼推进器的水动力性能.[方法]首先,通过分析直翼推进器的工作原理,推导出叶片的多重运动规律公式;然后,基于RANS方程和κ-ε湍流模型,采用滑移网格技术计算直翼推进器的敞水性能;最后...