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.     

两用斜流式喷水推进系统研究

开发了一种摩托艇推进和水上飞行两用斜流式喷水推进系统,并对其进行了研究.首先建立了喷水推进器的推力与水力特性流量、扬程、比转速以及射流比之间的联系并由此确定了水力性能参数.然后设计了3个具有不同射流比的喷水推进器并应用数值计算对得到的外特性以及推力特性进行比较分析,研究发现根据所确定的计算方法得到的喷水推进器在接近最优效率点工作,推力满足喷水推进的要求,推功比也接近最大推功比.最后以设计得到的喷水推进器为动力源、以应用能量最小为优化目标对水上飞行喷射装备进行设计分析,得到了水上飞行工况时喷水推进器的运行范围,进一步完善了喷水推进器的设计理论和分析方法.     

基于CFD的某型喷水推进器性能研究

采用CFD方法对某型轴流喷水推进器的基本性能进行测算。该型喷水推进器原用于一款小型高速摩托艇,具有工作转数高、推力大的特点。运用fluent软件以及RNGk-ε湍流模型、SIMPLEC算法、多重参考坐标系(MRF)对其进行数值计算,研究喷水推进器的设计流量、扬程、转矩、功率等性能参数,得到流场的速度和压力分布,为优化推进器的性能提供依据。     

喷水推进器推力预报的两种不同方法比较

概述了喷水推进器推力预报方法,研究了理论分析和CFD两种预报喷水推进器推力的方法.理论分析方法把喷水推进船整体分解成部件进行研究,从数学上描述了船底边界层对进流管道进口动量和动能的影响;结合经验系数建立了推力计算的函数关系式.CFD计算采用壁面积分的方法求取推力.文中所用的这两种方法的计算结果和厂商提供的推力特性曲线都能很好地吻合.文章最后比较了两种方法的优缺点.     

基于CFD的喷水推进器流道与喷口优化

为提高喷水推进器的水动力性能,对喷水推进器的流道与喷口进行了基于数值计算的优化研究。对一台喷水推进泵模型进行了敞水性能数值计算,验证了数值计算方法的准确性和有效性。对喷水推进器流道以及喷口进行参数化的几何重构和优化计算,考察流道与喷口参数对推进性能的影响。研究结果表明:在设计航速下,优化后的喷水推进器的转矩基本没变,推力和效率分别提高了2.53%和2.45%;在全航速范围,推力和效率平均分别提高了2.45%和2.49%。喷口变化对喷水推进器性能的影响大于流道变化对其的影响。适当增加流道倾角和降低导流帽倾角可提高推进性能。降低导流帽的倾角还可减弱导叶处的流动分离,改善导叶附近的流场。     

喷口轴向长度对喷水推进器性能影响的研究

为了了解喷口轴向尺寸对混流式喷水推进器水力性能的影响,运用计算流体力学方法通过求解雷诺时均的控制方程,计算喷口不同长度情况下,喷水推进泵的流场特性。用CFX软件进行后处理,获得喷口轴向长度变化时泵的性能参数,分析发现轴向尺寸对喷水推进器的效率和推力起到重要作用,过短或过长的喷口都会引起推力的减小,混流式喷水推进器最佳的喷口长度约为泵进口直径的35%。     

基于喷水推进器的单手柄操纵系统推力分配策略

目前国内基于喷水推进器的单手柄操纵系统应用较少，通过人工控制2套推进装置的6个参数来实现船体的平移运动操纵复杂、难度大，由此，对基于喷水推进器的单手柄操纵系统推力分配策略进行研究。推力分配是单手柄操纵系统的关键技术之一，其任务是将手柄输出的合力指令分配给各推进器。根据喷水推进器的特性，提出级联广义逆结合组合偏置的控制策略。该推力分配策略基于能量最优、艏向优先的方法，能自适应地调整偏置量，并兼顾喷水推进器的操纵性。仿真结果表明，该策略能适应喷水推进器优异的操纵性。     

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.     

喷水推进船平移机动操纵方法研究

为了实现喷水推进艇平移机动操纵,对其操纵方法进行了研究.首先采用船模斜拖试验获取平移操纵时船体水动力特性变化规律,然后求解喷水推进器在各种航速、转速、倒车斗位置以及喷口转向角条件下的推力.在此基础上,综合分析船体平移运动水动力特性和喷水推进器推力特性,提出了用双手柄同步等角度调节的平移操纵法,并制定了详细的平移操纵步骤...     

基于CFD的船舶喷水推进器优化设计

介绍了计算流体力学(CFD)作为一种先进手段在喷水推进器水力性能分析、结构优化设计和推进性能检验中的重要应用.界定了喷水推进器数值计算域,采用结构化网格进行空间离散,选择剪切应力输运湍流模型进行数值计算.在进行了网格无关性分析的基础上,计算了某新型喷水推进泵的外特性,并采用多种定性和定量指标对导叶的整流效果和进水流道的引流性能进行评估,并进行了合理的优化改进.在各部件性能优良的基础上,对“船+泵”流场进行整体计算,通过壁面积分法求取喷水推进器产生的有效推力进行船舶快速性预报. CFD技术的应用为喷水推进器最终设计成功提供了有力保障.     

船后喷水推进器水下辐射噪声源脉动流场的数值计算

为避免尺度效应对噪声性能的影响,文章研究探索了在实尺度条件下装船后喷水推进器噪声声源的数值计算方法。首先,基于分离涡模型对国外某喷水推进泵内部非定常流场进行了数值模拟,将计算得到的不同转速下泵的功率值与厂商提供数据进行对比,最大误差在2.0%以内,验证了数值计算方法的准确性和有效性。其次,完成了实尺度条件下某"船体+喷水推进泵+进水流道"系统带自由液面的非定常流场的数值计算。提取了实船条件下喷水推进器流道进口处的不均匀速度场,将其加载到单个喷水推进器数值计算模型的进口边界。进而,采用分离涡模型对该船后"喷水推进泵+进水流道"内部非定常流场脉动压力进行数值计算,分析了各个特征截面压力脉动的频域特性,为下一步准确计算喷水推进器噪声提供了有效的脉动流场信息。     

泵喷水推进器研究进展

分析泵喷水推进器的基本工作原理及其与系统的匹配;重点讨论泵喷水推进器高效率的实现所涉及的设计问题、现代分析方法与结论以及推力计算领域的内容.介绍泵喷水推进器在转向和倒车领域的问题及发展潜力.     

浸没式喷水推进自航试验及数值模拟

浸没式喷水推进器与船体高度融合,难以通过试验的方法测量推进器各部件受力,因此文中采用船模水池试验和数值模拟相结合的方法来分析浸没式喷水推进的水动力特点。该文首先开展了船模拖曳阻力试验,测量了船模阻力、纵倾角及重心升沉。然后开展船模自航试验,测量了船模纵倾角、升沉及轴的转速、力矩、推力等数据。基于CFX软件,对拖曳阻力试验及船模自航试验进行了数值模拟。在四个不同航速下的数值模拟中,阻力计算误差在3.7%以内,轴推力计算误差在2.7%以内,轴力矩计算误差在4.6%以内,试验测量值和CFD预报值吻合较好。通过数值模拟可以进一步得到浸没式喷水推进器上各部件的受力情况,泵的流量、扬程及其它流场信息,克服了浸没式喷水推进器推力测量和流场测量的困难。     

喷水推进器水动力性能分析与优化设计研究

针对国内某喷水推进游艇进水流道和导叶叶片水动力性能不理想的问题,应用优化设计和计算流体方法对其进行改进。为满足数值计算所需要的船底边界层对进水流道和喷泵的影响,界定喷水推进器流场控制体,联合采用四面体非结构化网格和六面体结构化网格对所有区域进行离散,选择剪切应力输运湍流模型,采用稳态多参考系方法计算求解系统流场。将喷泵、进水流道、格栅和船底组合一起并通过壁面积分法计算在70~90 km/h航速时产生的有效推力。结果表明,导叶叶片和进水流道通过优化设计后,喷水推进器的推力效率提高,产生的推力明显大于原设计。     

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.     

基于VG/VGJ的喷水推进进口流道流动控制方法

平进口喷水推进器的进口流道背部流动分离所导致的喷水推进泵进流畸变,是喷水推进泵性能与推进器性能下降的主要原因。基于涡流发生器（vortex generator, VG）/射流式涡旋发生器（vortex generator jet, VGJ）抑制流动分离的理论,该文选择某型进口流道模型,在低速风洞上进行模型吹风实验,以模拟平进口进水流道内流动。通过测量进口流道壁面压力和喷水推进泵入口面总压分布,解释了VG/VGJ提升推进性能的机理,获得了VG/VGJ结构尺寸和安装位置对流动控制效果的影响规律。在低进速比（IVR=0.5）工况下,布置合理的VG/VGJ能提高进口流道总压恢复系数和喷水推进泵进流面轴向速度均匀度,可以增加近5%的推力。     

高比转速轴流式和斜流式泵喷水推进器推进特性分析

对比比转速同为ns=769的两个轴流式叶轮和斜流式叶轮的水力性能和推进性能,分析其做为泵喷水推进器叶轮的适用性。分析结果表明,就所研究的两个叶轮而言,斜流式叶轮的高效区更宽,当做为泵喷水推进器叶轮使用时,轴流式叶轮的结构更紧凑、最大推力更大、最大推功比也更大。因此轴流式叶轮比斜流式叶轮更适合于用做泵喷水推进器的工作叶轮。     

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。     

喷水推进器空化监测技术研究

由于喷水推进船良好的快速性、机动性、高效率和低噪声,喷水推进技术在现代舰船上的应用越来越广泛.但喷水推进器在运行过程中容易进入空化区,影响其推进性能和使用寿命.建立空化监测系统是目前解决这一问题最有效的方法.喷水推进器的空化特性同螺旋桨的有较大差异,目前尚未进行深入的研究.本文分析了喷水推进器的空化特性,阐述了其空化监测的机理,建立了空化监测系统,对喷水推进器空化监测技术进行了研究.空化监测的关键在于选择合适的空化监测参数,选取适当的测量位置,以及采用有效的信号分析处理方法来进行空化特征的提取.     

空泡对喷水推进器流道脉动压力影响的试验研究

为研究空泡对喷水推进器流道脉动压力的影响,该文以某一轴流式喷水推进器为对象,在空泡水筒中开展脉动压力模型试验研究。为使试验尽可能接近喷水推进器在实船上的工作状态,在空泡水筒上搭建了专用试验台,利用空泡水筒试验段模拟船底水流和推进器进口流道,从而在试验段上方构建喷水推进器旁路试验装置。试验在不同流量及空泡数下进行,通过测量喷水推进器叶轮段流道内壁的脉动压力,并优化测点布置,研究流道脉动压力沿叶轮叶梢弦长方向和周向的分布规律以及空泡的影响。试验结果表明：在叶梢弦长方向上,空泡对流道脉动压力的影响主要集中在0～50%弦长区域;周向脉动压力最大值出现在进口流道及叶轮轴引起的低流速区,而空泡对周向脉动压力的影响也集中在此区域。