螺旋桨设计参数对桨叶片空泡性能的影响分析

文章基于扰动速度势面元法建立了在均流条件下螺旋桨桨叶片空泡数值预报方法,空泡模型采用压力恢复闭合模型。通过对5600TEU集装箱船螺旋桨空泡的数值预报,以及与试验结果的比较,验证了该方法的可行性。该方法能够较为快速准确地预报螺旋桨桨叶片空泡,可用于分析参数对螺旋桨空泡性能的影响,为抑制螺旋桨空化设计提供基础。在此基础上重点分析了桨叶侧斜、纵倾以及桨叶剖面型式对螺旋桨空泡性能的影响,计算表明加大侧斜能够减少空泡面积,空泡向外半径偏移;桨叶剖面的设计对空泡性能影响较大,优化设计桨叶剖面可以有效减少空泡面积,提高螺旋桨抗空化能力;纵倾向压力面弯曲的分布形式可以改善梢部的压力分布,减少叶梢附近空泡长度,从而可望减少由空泡引起的脉动压力。     

指定压力分布的螺旋桨设计

修改压力分布设计螺旋桨新型叶剖面来改进空化斗的工作已经进行多年,但是均基于薄翼理论进行二维剖面与三维叶剖面之间的转换。文中分别用B样条曲线和曲面表达二维剖面和三维桨叶,指定Eppler剖面的压力分布作为三维目标压力;将一个初始螺旋桨用B样条曲线表达其0.8R处的剖面几何;建立算法调整0.8R剖面对应的B样条控制多边形,进而调整桨叶几何,使得0.8R处三维面元法预报压力逼近目标压力。文中最后还讨论了高负荷时该剖面的压力分布情况。     

指定压力分布的螺旋桨设计

修改压力分布设计螺旋桨新型叶剖面来改进空化斗的工作已经进行多年,但是均基于薄翼理论进行二维剖面与三维叶剖面之间的转换.文中分别用B样条曲线和曲面表达二维剖面和三维桨叶,指定Eppler剖面的压力分布作为三维目标压力;将一个初始螺旋桨用B样条曲线表达其0.8R处的剖面几何;建立算法调整0.8R剖面对应的B样条控制多边形,进而调整桨叶几何,使得0.8R处三维面元法预报压力逼近目标压力.文中最后还讨论了高负荷时该剖面的压力分布情况.     

基于B样条的螺旋桨面元法设计

为了改善螺旋桨的空泡性能，提出一种基于面元法的螺旋桨设计方法，桨叶几何形状用较少的B样条控制角点来表示。给定桨叶剖面环量分布，并认为桨叶剖面弦向环量分布与压力差分布形式相同。将面元法计算得到的压力差分布转换为环量分布，以计算的环量分布与给定的环量分布之差的平方和作为目标函数，通过最小化目标函数可以得到桨叶几何形状。     

大侧斜螺旋桨桨叶应力分析

采用求解RANS方程的方法对某大侧斜螺旋桨敞水流场进行模拟,计算得到的推力系数与力矩系数与试验值有很好的一致性.在此基础上,将计算得到的桨叶水动力载荷、离心力载荷和重力载荷导入有限元模型,求解大侧斜螺旋桨桨叶应力场分布.根据应力场分布特点,可知:桨叶除叶根有应力集中区域外,0.5倍半径靠近随边处还存在应力集中区域;在0.5倍半径桨叶切面处,桨叶压力面应力从导边至随边递增,桨叶吸力面应力从导边至随边存在波动.     

基于新型剖面设计的螺旋桨多目标性能权衡优化

利用Eppler方法进行新型抗空泡翼型剖面设计.设计的新型剖面其空泡斗比具有相同设计升力系数和厚度弦长比的NACA66 mod+a=0.8剖面要宽很多.将新设计的剖面用于螺旋桨敞水性能优化,以4个半径处的螺距为设计变量,以敞水效率和多个半径处的最小压力系数为目标函数,利用iSIGHT优化平台对其螺距分布进行优化,以改善其敞水性能,特别是空泡性能.计算结果表明,采用新型抗空泡剖面进行螺旋桨敞水性能优化是有效的.并比较不同优化算法对优化结果的影响.     

一个估算螺旋桨叶片上出现空泡范围的简单方法

本文在常用的螺旋桨水动力性能和叶片切面压力分布计算方法的基础上,提出了一个估算螺旋桨在径向非均匀水流中叶片上出现空泡范围的简单方法。此法可根据桨叶的几何形状,伴流分布和螺旋桨工况估计桨叶出现空泡的范围,也可给出出现空泡与螺旋桨的几何要素例如切面的拱度、厚度分布和冲角等之间的关系。这样,我们就能仔细地分折螺旋桨叶片上发生空泡的情况,提出改进螺旋桨空泡性能的措施。针对一条船舶的螺旋桨,用本方法进行了计算,计算结果与用空泡筒模型试验所得的结果相当一致。     

Analysis of Cavitation Performance of 3-D Hydrofoil based on Panel Method

为了研究三维水翼定常空泡特性,利用低阶面元法结合非线性理论对三维机翼的空泡范围和形状进行了计算分析.根据运动学边界条件和动力学边界条件,采用压力恢复闭合的空泡模型结合面元法分别预报了矩形、椭球型和无限展长三维水翼的空泡性能.由计算结果可知:(1)对于三维矩形水翼在展向各水翼剖面空泡长度和厚度不同,空泡长度从展向中心向水翼两侧逐渐减小.空泡数越小,空泡区域就越大,且水翼面上的空泡体积的变化率愈大.(2)三维椭圆水翼在翼梢处计算出的压力分布有时并不满足空泡面的动力学边界条件,在尾缘处上下表面甚至出现较大压力差,存在压力“跳跃”.(3)无限展长三维水翼中心剖面处空泡厚度和长度分布与相应的二维水翼的空泡厚度分布基本一样.     

非均匀流场中抗空泡桨叶剖面设计

给出非均匀流场中螺旋桨桨叶剖面的设计方法,提出保持剖面空泡特征不变的等效运转曲线的思想与确定方法。本文方法设计的桨叶剖面能有效地控制空泡范围和空泡类型,得到期望的空泡性能。剖面可采用母型剖面或“新剖面”方法来设计,进而可确定桨叶弦向环量分布,然后由升力面理论设计三维桨叶的几何形状。通过实例螺旋桨的设计,其空泡性能得到显著的改善,说明本方法是合理和有效的。     

应用表面涡格法的空泡螺旋桨性能分析

本文讨论了表面涡格法在船用螺旋桨局部空泡和超空泡条件下的应用。螺旋桨桨叶和空泡用桨叶表面和空泡表面上的涡格和源分布表达。该方法基于速度场和奇异要素强度的控制方程由桨叶表面和空泡表面上的两类边界条件确定。由桨叶在无空泡状态下的压力分布得到起始空泡拓展，并通过迭代过程，使得空泡表面上的每个网格满足边界条件时计算空泡形状。本方法算出的桨叶表面上的压力分布，空泡扩展和厚度的结果与实验结果和其他理论的计算结     

基于求解速度势通量的指定压力分布二维翼型设计方法

为了提升翼型的水动力和空泡等性能,指定压力分布的翼型剖面设计的方法多数集中在给定攻角下的翼型剖面的设计,该方法存在计算量较大,收敛性不理想,特别是推广到三维问题时,上述问题尤为突出,限制了翼型设计的进一步发展。文章以势流理论面元方法为基础,通过求解指定压力分布条件下翼型表面的速度势通量,获得翼型表面形状的修正量,并将修正量分解为攻角的变化以及剖面自身的变化两部分,从而得到了翼型唯一的设计攻角和翼型剖面几何（厚度分布、拱度分布）。文中采用上述方法对二维翼型问题进行了设计验证,表明该方法可以设计任意指定压力分布的翼型剖面,理论上该方法可以用于全三维翼型的设计问题。     

Numerical analysis of surface piercing propeller in unsteady conditions and cupped effect on ventilation pattern of blade cross-section

The aim of this study is to calculate hydrodynamic performance and ventilation flow around wedge, 2D blade and 3D surface piercing propeller (SPP), using computational fluid dynamic based on Reynolds-averaged Navier–Stokes method. First, numerical analyses for two-phase fluid flow around the wedge and 2D blade section (cupped and non-cupped) are presented. Flow ventilation, pressure distribution and forces are determined and compared with experimental data. Then, the method is extended to predict the hydrodynamic performance of propeller SPP-841B. The propeller exhibits a cupped blade. In the simulated configuration, SPP is one-third submerged (I = h/D = 0.33) and is working at various loadings with full ventilation occurring at low advance coefficient (J). The open water performance, pressure distribution, forces/moments and ventilation pattern on the SPP-841B model are obtained and compared with experimental data. The numerical results are in good agreement with experimental measurements, especially at high advance coefficient.     

A method for numerical calculation of propeller hydrodynamics in unsteady inflow

The hydrodynamic performance of a propeller in unsteady inflow was calculated using the surface panel method. The surfaces of blades and hub were discreted by a number of hyperboloidal quadrilateral panels with constant source and doublet distribution. Each panel's corner coordinates were calculated by spline interpolation between the main parameter and the blade geometry of the propeller. The integral equation was derived using the Green Formula. The influence coefficient of the matrix was calculated by the Morino analytic formula. The tangential velocity distribution was calculated with the Yanagizawa method, and the pressure coefficient was calculated using the Bonuli equation. The pressure Kutta condition was satisfied at the trailing edge of the propeller blade using the Newton-Raphson iterative procedure, so as to make the pressure coefficients of the suction and pressure faces of the blade equal at the trailing edge. Calculated results for the propeller in steady inflow were taken as initialization values for the unsteady inflow calculation process. Calculations were carried out from the moment the propeller achieved steady rotation. At each time interval, a linear algebraic equation combined with Kutta condition was established on a key blade and solved numerically. Comparison between calculated results and experimental results indicates that this method is correct and effective.     

基于MRF方法和滑移网格的螺旋桨水动力性能研究

本文基于计算流体力学(CFD)方法,对多重参考系模型(MRF)及滑移网格模型(SM)在计算螺旋桨水动力性能时的差异进行了探讨。将以上两种模型应用到4381螺旋桨的水动力性能计算中,首先将计算得到的推力系数及转矩系数与试验数据进行了对比,考察了两种计算模型对螺旋桨的敞水性能的预测情况,并进一步对两种模型计算得到的螺旋桨盘面的速度场、桨叶的压力分布、桨后涡量云图等进行了对比分析。计算结果表明,滑移网格模型相较于多重参考系模型,对螺旋桨的推力系数的模拟结果误差更小,扭矩系数方面,两种模型的模拟结果相差不大；对于进速系数较大时,两种模型模拟得到的压力分布及速度分布较为相似,但对于高负荷情况,滑移网格模型可以更好地捕捉桨叶的压力分布及桨盘面处的速度分布情况；进速系数较小时,多重参考系模型可以模拟出涡结构的发散现象,而滑移网格模型可以更好的在高进速系数情况下捕捉到梢涡结构。     

厚翼剖面的空泡特性研究

本文用奇点法解厚翼剖面局部空泡绕流问题。求解时精确考虑了空泡表面是一条流线的运动学边界条件,空泡表面压力为常数的动力学边界条件,以及水翼湿表面是一条流线的运动学边界条件,用迭代法求出了空泡表面的形状、压力分布等水动力特性,并与实验结果作了比较,得较好结果。     

Study on the design of propeller blade sections using the optimization algorithm

A new method for designing propeller blade sections is presented. A vortex lattice method is used to evaluate the performance and the time-dependent pressure distribution on the blade surface in a non-uniform flow, while efficient optimization algorithms are used to modify the blade sections. Two different designs were carried out in this study. The first was a design to realize a target pressure distribution in a rotating three-dimensional flow. A two-dimensional wing theory was used to obtain the target pressure distribution. The predicted increase in efficiency and the reduction in the cavity volume were confirmed by model experiments. The second was a design to maximize the propeller efficiency. By this method, the propeller efficiency was improved by 1.2% under the constrains of constant thrust and a prescribed margin for face cavitation.     

桨毂形状对螺旋桨水动力影响仿真

采用全结构化网格对桨毂进行计算流体动力学(CFD)水动力仿真,验证仿真方法的有效性,研究3种典型桨毂形状对螺旋桨敞水特性、截面压力分布和空化的影响。通过对比分析发现:圆弧形桨毂阻力最小,效率最优,桨毂形状主要影响叶根区域的流动;圆柱形桨毂叶根的压力最小,空化面积最大;圆弧形桨毂的抗空化性能最优。     

Prediction of Hydrodynamic Performance of Marine Propellers by Surface Panel Method

The potential based low order surface panel method is used to predict the hydrodynamic performance of marine propellers. In present method the hyperboloidal quadrilateral panels are employed to avoid the gap between the panels. The influencecoefficients of panels are calculated by Morino's analytical formulations for increasing numerically calculating speed.The pres-sure Kutta condition is satisfied on the trailing edge of propeller blade by Newton-Raphson iterative procedure.Therefore the