海洋异物接近对导管螺旋桨服役性能影响研究

螺旋桨是目前船舶及海洋装备重要推进装置,其工作可靠性及服役性能对我国海洋战略的实施具有非常重要的意义。复杂海洋环境下螺旋桨服役性能除受到风、浪、流等环境因素影响外,还受到周围其他海洋异物的影响,进而引起螺旋桨载荷特性发生突变。本文基于计算流体力学基础理论,建立导管螺旋桨水动力学数值仿真模型。将海洋异物接近过程简化为准定常过程,分析不同接近距离对导管桨水动力性能的影响。基于流固耦合理论,将水动力学载荷施加在桨叶表面,获得不同接近距离时桨叶应力、应变的变化特性。研究结果表明:海洋异物的接近会对导管桨水动力学特性产生较大的影响作用。当异物接近距离为0.01 m时,导管桨推力将增加11.74%,扭矩增加12.73%,桨叶最大应力值增加32.06%,最大形变量增加30.28%。本文研究工作对导管桨服役性能评估及疲劳寿命预测具有非常重要的参考意义。     

空泡下双向冰级桨水动力性能试验研究

针对空泡效应对双向冰级螺旋桨的正车性能和倒车性能的影响,本文采用螺旋桨模型空泡水筒试验方法,探讨均流环境中空泡数和进速系数对螺旋桨正车和倒车水动力影响,以及在冰阻塞环境中空泡数、进速系数和冰-桨距离对螺旋桨正车和倒车水动力性能影响。研究结果表明：均匀流环境中定水速变转速,严重的空化现象对推力和扭矩的削减大于由螺旋桨转速增加而增加的推力和扭矩;冰阻塞环境中定转速变水速,螺旋桨推力和扭矩受到冰阻塞和空泡共同作用,当空化严重时,推力和扭矩不再随阻塞距离的减小而增加;本双向螺旋桨的倒车性能要比正车性能差,进速系数越大,性能差越大,均匀流中进速系数为0.7时,推力系数的差值在80%左右;冰阻塞中随着冰-桨距离的增加,水动力差值随之增加,但增加幅值较小;空泡不断地在桨叶生成,并在与桨叶分离时快速溃灭,随着冰-桨距离的减小,近冰桨叶表面空化现象越严重,空泡发生面积越大,且空泡形状越不规则。     

冰阻塞参数对螺旋桨水动力性能影响试验研究

针对冰水混合环境下冰阻塞逼近效应对螺旋桨水动力性能影响,在空泡水筒开展了均流和冰阻塞条件下的螺旋桨模型水动力性能试验,测试了冰桨轴向、垂向间距等冰阻塞参数对不同运行工况的螺旋桨模型水动力性能影响。试验结果表明,冰阻塞物一方面改变流场特征直接影响螺旋桨模型推力和扭矩,另一方面改变桨叶的空泡特性进而影响水动力性能。在无空化状态,随着垂向和轴向阻塞逼近程度的加深,在冰阻塞环境螺旋桨模型推力系数相比于均流可产生40%和20%的增加;而在桨叶严重空泡的重载状态,螺旋桨水动力随冰桨间距的变化不明显,桨叶的空泡效应减缓了冰阻塞效应的影响程度。     

冰阻塞环境对螺旋桨水动力和空泡影响试验研究

为了探究阻塞环境对冰区桨水动力和空泡特性的影响,辅助冰区螺旋桨的优化设计,本文在大型循环水槽中搭建冰阻塞环境下螺旋桨水动力性能和空泡特性的测试平台,测量和观察常压和减压状态下不同冰桨阻塞参数时螺旋桨及单桨叶的水动力载荷和空泡形态。试验结果表明：冰阻塞条件下的螺旋桨水动力性能是由冰桨阻塞参数、空泡环境和螺旋桨运行工况综合作用的结果,在冰块阻塞效应和邻近效应、螺旋桨抽吸作用、冰块周围回流区以及“皮鲁埃特效应”综合影响作用下冰块和螺旋桨之间会诱发连体涡空泡并导致螺旋桨水动力性能剧烈波动。     

全附体尾流作用下螺旋桨布局对其水动力性能的影响

为了研究全附体尾流作用下多桨船尾部螺旋桨布局对其水动力性能的影响,本文以某四桨船舶为研究对象,对船体、螺旋桨以及舵、轴支架、轴包套、呆木等附体进行整体建模,通过改变船后螺旋桨的相对位置,采用CFD软件计算得到了在全附体尾流作用下不同的螺旋桨布局对螺旋桨水动力性能方面的影响差异。结果表明,外前桨的纵向移动对于前后桨的效率影响不大;外前桨的横向移动对内后桨的水动力性能影响较大,当前后桨横向距离为1倍螺旋桨直径时,内后桨的推力系数最大增加8.9%,扭矩系数最大增加5.9%,船后效率最大增加2.8%。计算结果对于工程应用具有一定的参考价值。     

侧斜变化对螺旋桨水动力及变形振动特性的影响

由于艇后伴流场的不均匀性,螺旋桨运转时,周期性变化的载荷与桨叶结构的耦合作用会使桨叶发生变形。基于ANSYS Workbench平台,利用ACT_Transient FSI技术,将Fluent结果直接转换导入有限元求解器来计算螺旋桨结构响应,从而实现艇后螺旋桨瞬态单向的耦合分析。以DTMB 4381,DTMB 4382和DTMB 4383桨为研究对象,对艇后螺旋桨的水动力特性及桨叶的变形等进行数值模拟。结果表明:随着螺旋桨侧斜角的增加,脉动推力振荡明显减弱,桨叶最大变形量增加,但桨叶振动明显减弱。     

非均匀伴流中复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合研究

复合材料可改善螺旋桨空化性能及振动特性,在先进海洋推进装备领域备受关注。本文基于URANS计算复合材料螺旋桨外流场,应用FEM求解桨叶结构动态响应,并将水动力载荷及结构变形实时双向传递,建立复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合数值计算方法。精细地模拟了桨叶经过高伴流区过程中叶梢空泡的演化;叶梢最大变形量随着叶梢空泡的初生、发展而逐渐增大,在梢涡空泡形成阶段达到最大值,然后随着空泡的溃灭而减小;揭示了复合材料的应用使螺旋桨推进效率得以提高、叶梢空化得以抑制的机理,即复合材料螺旋桨在空化水动力载荷作用下产生弯扭耦合变形,自适应地调整攻角以抑制空泡发展;对比了典型空化工况下复合材料与刚性金属螺旋桨空化水动力性能的区别;与刚性金属桨相比,复合材料螺旋桨的压力脉动峰值缓和,对非均匀伴流场的适应性更好。     

非冻结模型冰-螺旋桨切削状态的试验研究

冰-螺旋桨的切削过程十分复杂，如何精确掌握冰桨作用模式和揭示冰桨作用机理对冰区螺旋桨理论研究和设计极其重要。本文介绍了利用冰桨切削试验平台开展的不同冰材料、螺旋桨尺度、切削深度、冰推送速度及螺旋桨转速时的冰桨切削试验研究，以及对螺旋桨冰载荷、遮蔽效应和冰桨作用模式进行的测量和分析。试验结果表明：通过高速摄像机对冰桨切削过程的捕捉证明了桨叶遮蔽效应的存在；相同切削深度时，螺旋桨尺度越大，桨叶受到的遮蔽效应越严重；冰桨切削深度越深，桨叶受到的遮蔽效应越严重，且螺旋桨中受到遮蔽效应的桨叶也越多；随着冰块推送速度的增加，模型冰的破坏模式由剪切断裂破坏逐渐向局部挤压破坏和剪切断裂破坏转变；极地船舶破冰航行过程中，可适当地提高螺旋桨转速，以减小螺旋桨受到的冰载荷，提高破冰能力。     

轮缘推进器外形对水动力性能影响分析

轮缘推进器将电机与螺旋桨一体化设计,具有较高的应用前景。本文以NO.19A+Ka4-70导管螺旋桨为基础,将仿真值与试验值进行比较,各项参数的最大偏差均在5%以内,吻合较好,并构造反厚度规律的桨叶。基于STAR-CCM+仿真软件对轮缘推进器进行水动力性能的数值计算,采用SST k-ω湍流模型进行计算,对比分析轮缘推进器的外形、导管种类、桨毂、轮缘宽度对于推进器水动力性能的影响。     

基于Boltzmann方法的手动可调螺距桨敞水特性

针对船舶长期服役后出现的船、机、桨不匹配问题,采用Boltzmann方法建立手动可调螺距螺旋桨的数学模型,对手动可调螺距螺旋桨进行敞水特性计算,结果表明:手动可调螺距螺旋桨随着螺距角的增大,其推力、转矩逐渐增大,当进速较小时,桨叶螺距角小的效率高,进速较大时桨叶螺距角大的效率高,并且桨叶螺距角有一定的工作范围,另外随着桨叶螺距的增大,桨叶吸力面低压区逐渐减小,桨叶压力面高压区逐渐增大,叶根及桨毂附近的低压区逐渐减少,手动可调桨发生空化的可能性将降低。     

船舶复合材料螺旋桨模型试验的特殊性分析

[目的]船舶复合材料螺旋桨比传统金属合金螺旋桨刚度低,在流固耦合作用下桨叶变形会对水动力和噪声性能带来显著影响,在开展复合材料螺旋桨模型试验时需予以特殊考虑。[方法]采用量纲分析方法,建立复合材料螺旋桨水动力与噪声性能的特殊相似关系及其换算方法。根据复合材料螺旋桨模型加工实物及其作用特点,分析可满足模型试验要求的特殊测试技术。[结果]结果表明,复合材料螺旋桨模型试验在满足金属合金螺旋桨模型试验的相似关系外,仍需满足桨叶水动力变形的相似关系。[结论]不同于传统金属合金螺旋桨,复合材料螺旋桨模型试验需获取螺旋桨的静态型值、力学性能和桨叶动态变形等信息,以此选择合理的螺旋桨试验模型缩比尺度及其材料;同时,试验中除要求保持模型与实尺度螺旋桨的无量纲进速系数相同外,还需满足刚度特性及叶梢马赫数的组合相似度。     

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。     

流固耦合下的复合材料螺旋桨变形特性研究

为了研究易变性复合材料螺旋桨在水动力作用下的变形特性,通过流体计算控制方程和结构有限元方程,建立复合材料螺旋桨流固耦合算法,并利用Ansys／AnsysCFX软件计算流固耦合下指定材料的系列螺旋桨水动力性能,将NBA材料桨计算结果与试验结果进行对比,验证了流固耦合算法的准确性。分析了指定复合材料螺旋桨变形前后水动力性能变化,在此基础之上,进一步分析了复合材料桨叶在特定进速下的应力分布,以及不同进速下各桨叶的变形规律。     

导管螺旋桨水动力学性能的影响因素

为了获取导管螺旋桨水动力性能的主要影响因素，指导导管螺旋桨的优化设计，采用计算流体力学CFD对Ka4-7010+19A导管螺旋桨进行水动力性能研究，分析不同导管长度、导管攻角、螺旋桨纵倾角及多导管组对其水动力特性的影响。结果表明：减少导管长度将使推力系数及扭矩系数同时增大，而敞水效率下降；适当增加导管长度可以略微提高其敞水性能；减小导管攻角在一定进速范围内使推力系数和扭矩系数同时大幅度增加，增加导管攻角将导致推力系数和扭矩系数同时下降；当螺旋桨纵倾角保持在10°以内时，不会对敞水性能产生太大影响。对于多导管螺旋桨而言，前置、后置及不同附属导管直径大小都对敞水性能有很大影响，其中后置大导管组螺旋桨能明显降低螺旋桨扭矩系数，并且能在低进速范围内提升敞水效率。研究成果可支撑导管螺旋桨的优化设计。     

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.     

基于笼型异步电机的螺旋桨负载模拟研究

将笼型异步电机作为螺旋桨负载的模拟电机,通过建立旋转坐标系下的笼型异步电动机数学模型实现了电流在磁场方向和转矩方向的解耦,采用转矩矢量控制策略实现了机械负载模拟电机的转矩闭环控制。在MATLAB/Simulink仿真环境下构建了基于转矩矢量控制的机械负载模拟控制系统的仿真模型,并结合综合考虑船桨相互影响的螺旋桨负载模型进行了某船舶的螺旋桨起动和反转过程仿真研究。正确的模拟了船舶螺旋桨负载的反转特性,并确定所设计系统可以实现了机械负载转矩的四象限模拟,能够应用于螺旋桨等具有可逆性质的机械负载模拟的场合。     

某伴流补偿导管对螺旋桨空泡及 空泡剥蚀性能影响研究

文章介绍了中国船舶科学研究中心大型循环水槽中开展的某散货船有、无伴流补偿导管下螺旋桨空泡、空泡剥蚀性能对比试验研究,并深入分析某伴流补偿导管对空泡形态、空泡剥蚀性能影响及导管设计过程中需注意的问题。试验结果表明:前置伴流补偿导管会增加螺旋桨表面空泡面积及空泡诱导的船体脉动压力一阶叶频分量,且不合适的伴流补偿导管安装方式会增加桨叶空泡剥蚀风险。     

深圳湾海积软土的蠕变特性与本构模型研究

论证海积软土的蠕变特性,针对深圳湾软土在固结仪上进行一维侧限压缩蠕变试验,并建立了可描述软土蠕变特性的本构模型。结果表明,深圳软土的蠕变变形主要是瞬时变形和衰减蠕变变形,应力越大蠕变效应越明显。且蠕变表现为非线性特性,应力水平越高,非线性特征越显著,剪切蠕变特征复杂。Burgers模型可以较好地描述深圳软土的蠕变特性,特别是衰减蠕变阶段与稳定蠕变阶段拟合效果良好。研究还表明,稳定蠕变变形受应力水平影响显著,表现为固结应力越大,稳定蠕变变形量越大,达到稳定标准的时间也越长。这也说明实际工程中,当土体承受较大荷载时,必须考虑因蠕变变形对建筑物的危害作用。     

Fatigue predictions for flexible marine propellers using FSI analysis considering Euler force in the rotating frame

Analysis of flexible marine propellers in terms of their structural response and stress is the key to accurate fatigue prediction. At present, finite element method (FEM) analyses of flexible propellers have been performed as a part of the fluid–structure interaction (FSI) analysis using a numerical method for the flexible structures, which is identical to that used for their rigid counterparts. In this study, the Euler force in a rotating frame is employed as an additional external force on the blades of the marine propeller during the FSI analysis. The Euler force is an inertial force component in the rotating frame due to angular acceleration. Acceleration of the rotating frame arises from large deformations of the propeller due to its flexible characteristics. The angular acceleration of the propeller is obtained for each time step, and the resulting Euler force is accounted for as a body force. The FSI analysis results are compared to experimental results in terms of the structural response, stress, and fatigue. It is clear that the Euler force has a major effect on the fatigue characteristics of the propeller because it amplifies the main response components. In conclusion, incorporating the Euler force in FSI analyses of flexible marine propellers is necessary for adequate prediction of the propeller fatigue.     

导管螺旋桨水动力与结构强度计算方法研究

随着导管螺旋桨应用的普及,计算与分析其水动力与结构强度的方法也越来越准确、快速、简便。以荷兰船模试验水池No.19A+Ka4—70螺旋桨为实例,详述了导管螺旋桨计算与分析的整体流程。通过MATLAB计算得到螺旋桨翼面与导管的空间坐标,在Pro/E中建立三维实体模型,在HyperMesh中建立CAE模型。以流体部分网格为分析对象,分别在Fluent与CFX中进行导管螺旋桨水动力分析,并比较了不同计算软件得到的导管螺旋桨水动力分析结果,为导管螺旋桨水动力计算提供了基本思路。以流体-固体网格为研究对象,在CFX平台上中进行流固耦合计算,得到螺旋桨的结构强度分析结果,拓展了螺旋桨结构强度分析方法。该水动力与结构强度分析与研究为导管螺旋桨总体设计提供了有效可行的方法。