DOE方法在螺旋桨几何参数优选中的应用

螺旋桨的几何外形是通过螺距、纵倾、侧斜、拱度、弦长、桨叶剖面等几何参数来表达的,这些几何参数影响着整个螺旋桨的水动力、噪声、空泡、振动等性能。定量地给出不同半径处各个几何参数对螺旋桨性能的影响,对螺旋桨的设计有重要的指导意义。论文采用试验设计(Design of Experiment,DOE)的拉丁超立方设计方法,结合螺旋桨定常水动力性能的面元理论预报程序,分别定量地研究了不同半径处的螺距以及盘面比与0.4、0.7、1.0半径处的纵倾、螺距、侧斜对敞水螺旋桨推力系数和敞水效率的影响;同时,结合螺旋桨非定常水动力性能的面元理论预报程序及傅里叶分析方法,定量研究了不同半径处侧斜以及0.5、0.8、1.0半径处的螺距、纵倾、侧斜对螺旋桨主桨叶在给定伴流场中非定常推力的影响。研究结果表明:DOE方法能够准确分析不同径向处的几何参数对定常和非定常螺旋桨性能的影响程度。     

大侧斜螺旋桨水动力数值图谱构建与应用研究

CFD方法的快速发展为螺旋桨水动力图谱构建提供了新的手段。针对大侧斜螺旋桨设计的强烈需求，以INSEAN E1619为母型桨拓展形成大侧斜螺旋桨系列方案，利用CFD方法开展大侧斜桨敞水虚拟试验，然后通过多元回归分析实现敞水结果的数字化表达，并对表达结果进行校验，在此基础上完成大侧斜螺旋桨水动力数值图谱设计程序开发和实例应用分析。经校验证明，回归多项式计算精度可满足数值图谱的开发要求。实例应用分析结果表明：相比B-系列螺旋桨图谱，在直径不受限制的条件下，本数值图谱设计方案效率与之相当，最佳直径偏小6%左右；在直径受限的条件下，本数值图谱设计方案效率偏高，文中实例给定直径下偏高约7%。该数值图谱可为低噪声大侧斜螺旋桨初步设计阶段的推进性能评估和推进系统参数选型提供新的手段和工具。     

基于CFD的螺旋桨侧斜分布的影响

作为特种船舶高速推进装置的大侧斜螺旋桨,凭借其侧斜角较大的特殊结构导致由螺旋桨引起的轴承力和表面力特性减小,这对于提升推进器的推进性能以及效率性能有着重大意义。采用基于RANS方程的CFD数值模拟方法,对某五叶大侧斜螺旋桨(侧斜角度为55°)进行水动力学仿真并与水池试验结果对比,结果显示仿真结果具备可靠性与精确性。以大侧斜螺旋桨的侧斜分布为变量,并以原型桨为基础且只改变其侧斜分布而建立3个大侧斜螺旋桨模型,侧斜角度分别为40°、50°和60°。然后,对3个不同侧斜角度的大侧斜螺旋桨进行了定常敞水特性水动力学仿真实验。实验结果表明,随着螺旋桨侧斜角度的增大,螺旋桨的推进性能和高效性能都有所提升。     

大侧斜对转螺旋桨水动力及桨叶应力数值计算

对转桨采用大侧斜形式能降低螺旋桨的线谱噪声,但同时也会降低叶片的强度和刚度,工程应用中需要对其强度进行校核。本文基于不可压缩流体"雷诺时均N-S方程+RSM湍流模型",采用多重参考系模型处理多旋转区域耦合问题,得到了螺旋桨表面压力分布;应用有限元(FEA)分析方法对叶片进行分析,得到叶片应力分布与变形量等参数。通过对大侧斜对转螺旋桨水动力及桨叶应力数值计算,为螺旋桨设计提供理论依据,具有一定的工程意义。     

大侧斜螺旋桨设计中的考虑

介绍船舶大侧斜螺旋桨的设计流程和桨的各主要要素确定原则，论述大侧斜螺旋桨强度问题及工程实用的校核方法，对目前大侧斜螺旋桨设计工作存在的薄弱环节提出改进措施。     

考虑水弹性影响的螺旋桨设计方法研究

船用螺旋桨工作在低速重负荷工况、或采用大侧斜几何型式或采用复合材料时,其流固耦合现象较为突出,螺旋桨设计中若无法准确考虑其间的水弹性影响,将会造成船机桨失配及实船推进性能的错误预报。文章基于螺旋桨环流理论设计方法、螺旋桨流固耦合算法以及逐步逼近法,形成了一套可考虑水弹性影响的螺旋桨设计方法,重点讨论了流固耦合中水动力载荷更新方式、逐步逼近法中预变形松弛因子的选择对设计结果的影响。通过大侧斜螺旋桨及复合材料螺旋桨设计实例,进一步阐述了在螺旋桨设计中考虑水弹性的必要性,也验证了所开发设计平台的有效性。该设计平台为后续复合材料螺旋桨的优化设计提供了基础。     

大侧斜可调螺距螺旋桨

本文论述了大侧斜可调螺距螺旋桨的设计与试验。近几年来大侧斜可调螺距螺旋桨由于螺旋桨与船体伴流场间的相互作用而减小了螺旋桨的诱导振动,改善了转叶扭矩因而得到了显著的发展。作者所在的卡米华公司的船用试验室对大侧斜螺旋桨进行了广泛的研究,其中包括:螺旋桨流体动力特性的确定;在模拟船艉伴流场情况下,对空泡模型的观察以及对作用在船体上的螺旋桨诱导脉动力的测量;在模拟船艉伴流场的情况下,对不同工况测量了螺旋桨桨叶的动态力与力矩;在系统地改变进速比、空泡数、螺距比的情况下,测量了桨叶的转叶扭矩值并比较了常规叶型与大侧斜螺旋桨的各种参数。本文还介绍了进行上述试验所选用的仪器,并将试验结果以曲线形式给出。最后作者还对大侧斜可调螺距螺旋桨的设计和应用提出了一些建设性的意见并对大侧斜螺旋桨予以正确的评价。     

42kn高速滑行艇大侧斜空泡螺旋浆设计研究

本文通过对一型排水量４０ｔ滑行艇 大仙斜空泡螺旋桨的试验和设计研究，探索了在４０ｋｎ左右航速时，空泡螺旋桨的水动力性能变化规律。找出了因空泡发展引起的推力下降的控制方法，成功地设计出了航速达到４２ｋｎ的大侧斜空不包螺旋桨。     

使用Fluent软件的螺旋桨敞水性能计算分析

船舶性能CFD计算领域有必要尽快形成螺旋桨敞水性能CFD计算的快速预报能力,以快速响应用户的需求,使CFD成为螺旋桨设计的手段之一,并利用这一手段,发挥CFD计算结果信息量大的特点,对螺旋桨进行相关的性能考察计算.文章介绍了中国船舶及海洋工程设计研究院利用Fluent软件在螺旋桨敞水性能计算中的计算流程,以某船所使用的侧斜反弯扭桨作为研究对象,给出了敞水性能曲线的计算结果,并与试验测量值作了比较,文中还介绍了对此桨的性能情况所进行的一些数值计算考察.     

螺旋桨数控加工技术研究

结合国际国内螺旋桨加工技术的现状,在进行螺旋桨数控加工技术研究的基础上,阐述了实现螺旋桨数控加工技术的基本途径和条件,着重介绍了大侧斜固定螺旋桨数控加工方法和过程.     

基于DES方法的螺旋桨尾涡演化数值研究

采用分离涡模拟(DES)方法对多工况下螺旋桨的尾流场特性及尾涡结构进行数值研究,应用滑移网格技术完成螺旋桨敞水试验模拟,采用Spalart-Allmaras湍流模型封闭N-S方程组。数值计算结果显示:采用DES方法得到的水动力特性结果与模型试验结果吻合度高,DES方法能够较好地捕捉到螺旋桨尾流场中复杂的尾涡结构,螺旋桨不同桨叶产生的梢涡之间的自诱导和相互诱导作用引起尾涡结构形态变化,4叶桨梢涡结构之间会产生2次融合重组,毂涡振荡与梢涡演化之间存在相互干扰作用,不同进速系数下尾涡演化规律基本一致。     

基于速度势迭代的面元法预报对转桨性能

采用基于诱导速度势迭代的面元法预报对转桨的定常水动力性能,在计算中,前桨和后桨的相互干扰通过影响系数实现;前桨尾涡面距后桨表面太近时的异变影响系数通过Lagrange插值求出。同时采用基于诱导速度迭代的面元法预报对转桨水动力性能,并与基于诱导速度势法进行对比,计算结果表明,采用诱导速度势迭代的方法计算的结果与试验值吻合良好。与基于诱导速度迭代的方法相比,计算结果精确,且可以节省计算时间。     

典型剖面下调距桨装置RMS建模仿真与指标综合评价

船舶机电设备可靠性维修性保障性(RMS)设计已经成为与产品狭义功能性能同等重要的设计特性之一。调距桨装置是船舶重要推进设备之一,其RMS在服役期间的持续稳定效能,直接对船舶任务、效能、安全保障、使用保障费用等都产生重要的影响。本文选取故障树动态主逻辑图为RMS建模框架,提出了RMS模型的建模方法,结合计算机仿真技术,给出了基于RMS模型的仿真流程及仿真方法。最后应用本文所研究的建模仿真方法对某型调距桨装置进行RMS评价。     

基于Lighthill声类比理论的螺旋桨噪声性能研究

论文基于Lighthill声类比理论和傅立叶变换结合声学软件Actran开展螺旋桨噪声性能的分析研究。以E779A螺旋桨模型为对象,进行了螺旋桨噪声性能的数值模拟,分析了不同位置处声压谱和声功率谱的特性、噪声随距离变化的衰减特性、不同进速系数下的声压级云图等;最后,分析了非均匀进流、螺旋桨空化、进速系数等对螺旋桨噪声的影响。本文主要的研究工作是对螺旋桨噪声性能的预报研究,对今后船舶工程螺旋桨的设计研究有着重要的指导意义。     

潜器全方向推进器的研究

概述了全方向推进器工作的基本原理以及研究开发全方向推进器的意义;介绍了国内外针对全方向推进器的研究的现状以及哈尔滨工程大学在全方向推进器的研究方面所作的工作;给出了哈工大的定常和非定常状态下的理论计算结果,以及与日本三菱重工的试验值所作的比较;提出了两种新型全方向推进器调距机构的试验模型.     

面元法预估导管螺旋桨定常性能的一种简便方法

用基于速度势的低阶面元法建立预估导管螺旋桨定常性能的计算方法,即对导管和螺旋桨都采用面元法,在计算面元的影响系数时计入导管和螺旋桨的相互影响。将对JD简易导管桨的计算与实验结果进行比较表明,该方法可以有效地应用于导管桨的定常性能计算。     

Numerical calculations of propeller shaft loads on azimuth propulsors in oblique inflow

This paper evaluates various computational methods used to compute propeller performance, hydrodynamic side force and bending moment applied to an azimuth propulsor propeller shaft in oblique inflow. The two non-viscous models used are the BEM method and the blade element momentum theory (BEMT). RANS calculations are used to compute the loads on the propeller and the nominal wake velocity from the thruster body to be used in the BEMT model. The effect of the ship hull is also considered in the calculation by implementing the measured nominal wake of a ship hull at different propeller azimuthal positions. All the models are compared and validated against the experimental results, and the discussions are presented.     

船后螺旋桨空泡数值预报及试验对比

文章研究了湍流模型对螺旋桨空泡计算结果的影响,结果表明常用的湍流模型均可较好地预报螺旋桨空泡形态。采用RANS求解器,结合SST k-ω湍流模型和Sauer空化模型,数值模拟了船后螺旋桨空泡。用对称面边界条件处理自由表面,滑移网格技术处理螺旋桨旋转,时间步长为1°。螺旋桨空泡模拟结果与大型循环水槽试验结果进行了对比,虽然由于计算网格稀疏的原因没能捕捉到螺旋桨梢涡空泡,但螺旋桨空泡随空间角度的动态行为与试验观察结果吻合较好。     

舰艇螺旋桨水下噪声预测

螺旋桨空化噪声是舰艇最主要的辐射噪声源。文章分析了螺旋桨噪声平坡形谱曲线的特点,给出源声级谱级曲线的衰减指数值,分析了特征频率和峰值谱级的影响因素。由螺旋桨空化状态下两个特征航速对应的部分频段内的噪声谱级计算式拟合得到水面舰船螺旋桨空化后任意可达航速下的噪声谱曲线。结合叶梢周向速度一定时特征频率处谱级与螺旋桨直径的函数关系和频率一定时叶梢周向速度变化引起的特征频率处谱级变化量,得到潜艇螺旋桨无空化状态下特征频率处谱级,在空化状态下,还需要加上螺旋桨进入尖锐谱峰区和转速进一步升高引起的声级增加量,从而得到了潜艇在任意航态下整个频带内螺旋桨噪声谱级的计算式。利用已有数据对计算式进行了检验,计算声级误差小于4dB。计算中用到的叶梢初生空泡数和判定是否出现窄带调噪声要通过空泡筒试验确定。     

对转螺旋桨升力面设计方法

本文针对对转螺旋桨这类组合式推进器的设计问题,采用了升力面设计方法进行设计,在设计过程中通过前后桨的相互迭代求出彼此间的诱导速度,以此来考虑它们之间的相互作用,并采用此方法作了一对对转螺旋桨的设计,同时应用面元法进行了水动力预报。