喷水推进器获流区形状的确定与影响因素研究

在喷水推进器进口流道内外流场数值模拟的基础上，通过在Star CCM+软件中编制宏命令，在一条从获流区顶部中点发出的射线上用二分法取点，生成经过该点的流线，并判断其是否进入流道内部，逐次逼近止于喷水推进器进口唇口的流线，可快速、准确地确定获流区的边界，提高喷水推进器推力预报的精度。考察进口流道几何、来流条件等参数对获流区形状的影响，其中进速比、船底边界层的影响较大。     

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。     

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。     

某V型船尾四台喷水推进器进流特性数值模拟与分析

以某V型船尾布置四台喷水推进器的进口流道为研究对象,通过数值模拟方法,计算设计航速工况下的进口流道进流特性以及随进速比的变化规律。研究结果表明,进速比减小,进口流道进流效率增加,但过小的进速比下的出流不均匀度增加。两台内侧推进器进流不仅相互之间会产生影响,还受到外侧推进器的影响,其获流区截面形状相对更窄、更深,而外侧推进器则相对更宽、更浅;外侧推进器的进流受到内侧推进器的影响,其获流区域有明显向外侧偏移的倾向。这一重要结论对V型船四台喷水推进器的布置优化,喷水推进器与船体水动力匹配权衡设计有重要的指导意义。     

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.     

喷水推进器进水流道倾角与流动性能关系研究

对某平进口式喷水推进器进水流道,在其纵向总长度、宽、高给定的条件下,建立了倾角不同的6种流道模型.采用RNG k-ε湍流模型封闭RANS方程,运用SIMPLE算法,并考虑进口速比IVR(流道出口速度与航速之比)对流道流场的影响,得到了进水流道内部流场特征.从流道的出流均匀性、空化、流动分离和变工况的适用性4个方面提供定性和定量指标用以分析流道倾角在不同进速比工况下的水力性能情况,为喷水推进器进水流道倾角的优化设计提供依据.分析结果表明,该型推进器在流道倾角等于40°时各方面性能都较好.     

喷水推进器流道对船舶阻力性能的影响

[目的]喷水推进船舶的阻力性能与常规船舶有着很大的不同,喷水推进器流道的存在会改变船舶尾部流场,对船舶阻力性能有着很大的影响。[方法]以FA1型三体船为计算模型,利用CFD软件STAR-CCM+,将喷水推进器流道看作附体,对比研究安装不同进流角喷水推进器流道前后船舶尾部流场变化。通过对比流道表面压力分布、船体流线的变化,阐述船舶阻力以及阻力成分产生变化的机理。[结果]结果表明:STAR-CCM+可以实现对于船舶阻力性能的预报;喷水推进器进水流道的安装会增大船舶阻力,主要为压差阻力的增大。[结结论]对进水流道倾角的优化可以增进喷水推进船舶的阻力性能。     

基于流道倾角对喷水推进泵流道性能的影响研究

利用参数化方法设计了4种不同流道倾角的喷水推进泵椭圆形进水流道,并采用三维雷诺平均N-S方程和RNGκ-ε湍流模型对其流场和性能进行数值仿真.从流道的出流均匀性、流动分离方面来分析在保持进口速比不变,不同流道倾角时流道内流场的变化情况,为喷水推进器进水流道倾角的设计提供依据.计算结果表明:流道倾角对喷水推进泵水力性能和流场变化影响较大.在设定进速比的条件下,随着流道倾角的增大,喷水推进泵流道出口的流场均匀性变差,流道内部更容易发生流动分离现象,且在流道倾角为47°时的喷水推进泵在设计工况下的流场特性最差.     

基于流道倾角对喷水推进泵流道性能的影响研究

利用参数化方法设计了4种不同流道倾角的喷水推进泵椭圆形进水流道,并采用三维雷诺平均NS方程和RNGκ-ε湍流模型对其流场和性能进行数值仿真。从流道的出流均匀性、流动分离方面来分析在保持进口速比不变,不同流道倾角时流道内流场的变化情况,为喷水推进器进水流道倾角的设计提供依据。计算结果表明:流道倾角对喷水推进泵水力性能和流场变化影响较大。在设定进速比的条件下,随着流道倾角的增大,喷水推进泵流道出口的流场均匀性变差,流道内部更容易发生流动分离现象,且在流道倾角为47°时的喷水推进泵在设计工况下的流场特性最差。     

限制水域下喷水推进器水动力特性研究

本研究采用数值模拟方法对无限水域和限制水域中喷水推进装置的水动力特性进行对比分析，开展不同水深条件下喷水推进器进流特性、进口流道效率和推进泵水力特性研究，并据此评估开式循环水槽环境下水槽侧壁和底面限制对喷水推进装置水动力性能的影响。数值计算结果表明：限制水域下喷水推进船底部和水槽底面间水流因阻塞效应使速度增加产生回流，水槽侧壁对自由液面兴波产生反射，随着水深减小，流道进口获流区平均轴向速度明显增加；不同水深吃水比下，进水流道出口非均匀度增加，但进口流道效率变化不大；相比于无限水域条件，限制水域中推进泵流量系数、扬程系数和泵效率的预报结果偏高1%～2%。     

基于数值试验及实船试航的喷水推进器改型设计

采用基于雷诺时均法的SST湍流模型对"某轴流式喷水推进泵+进水流道+船体"系统进行数值计算,查找出了该喷水推进泵和进水流道设计存在的一些问题。依据该船体阻力、设计航速和主机功率等参数重新对该船喷水推进器进行选型,进而运用三元的方法对喷水推进泵进行设计,利用参数化设计的方法对流道进行设计。采用了数值试验的方法校核新设计的混流式喷水推进器流体动力性能,计算结果表明:新设计喷水推进泵和进水流道性能优异,并且能够较好地满足快速性指标。最后,对改进设计的喷水推进器进行了快速性预报和实船试航,试航结果表明新设计混流式喷水推进器推进航速超过设计航速9.4%,并且数值预报航速与试航结果误差为1.5%,这既验证了设计方法的有效性,也验证了所采用的数值模型的准确性。     

喷水推进进口流道倾斜角对其效率影响分析

喷水推进进口流道特征参数较多,各参数之间相互联系,当改变其中某个特征参数时,其他参数也会发生改变。本文通过推导得出各特征参数之间的关系,并以此为基础,在给定进口流道特征直径 D、流道高度H、流道总长度L的条件下,以流道倾斜角为变量,开展进口流道的设计和建模,借助 CFD技术研究进口流道效率与流道倾斜角之间关系。研究结果表明,在一定范围内进口流道效率会随着流道倾斜角的增加而降低,但是下降幅度不大。这一重要结论对进口流道结构与水动力权衡设计有较强的指导意义。     

汲水斗对水面飞行器水动力性能的影响

[目的]基于数值和试验方法研究汲水斗不同状态下水面飞行器的水动力性能变化规律。[方法]首先,通过试验方法研究水面飞行器放下汲水斗时在不同速度及不同排水量下的水动力性能;然后,采用CFD数值方法求解不同速度下,无、收起和放下汲水斗3种情况下水面飞行器的黏性绕流场。[结果]结果显示,随着速度的增大,在相同汲水量下,水面飞行器的总阻力、升沉幅度均随之增大,纵倾角减小;随着汲水量的增大,其总阻力、纵倾角和升沉幅度增大;汲水斗放下时水面飞行器的总阻力明显增大,升沉增大,但纵倾角减小;汲水斗收起时对水面飞行器的水动力性能影响不大。[结论]所得研究结果对水面飞行器汲水斗的优化设计具有重要指导意义。     

入口唇角对喷水管道流动性能影响的数值分析

应用CFD技术对平进口式喷水推进系统的三维流动进行了数值模拟。从进水管道流动损失、出流品质和管内压力分布等方面性能出发,对比分析5种不同管道入口唇角线型方案对管道流动性能的影响。数值分析结果表明,进水管道入口唇角位置适当靠前且唇缘相对尖锐有利于改善进水管道的流动性能。     

喷水推进泵空化性能数值模拟与试验验证

为研究喷水推进泵空化性能,采用计算流体力学(CFD)方法对自行设计的喷水推进泵内部空化流场进行了数值计算与分析。用六面体结构化网格对喷水推进泵的进流管道、叶轮、导叶体和出流管道进行网格划分;通过求解由SST湍流模型封闭的RANS方程计算得到喷水推进泵内部流场,计算得到的扬程、功率和效率特性曲线与试验结果吻合较好。文中还对多个流量的空化性能进行了数值预报,计算结果与试验数据在趋势上具有一致性;小流量工况的临界净正吸头与试验值误差较小,而大流量工况的临界净正吸头与试验值误差较大。研究结果表明:采用CFD方法预报喷水推进泵内部空化流场和空化性能是可行的,可作为喷水推进泵优化设计的有效途径。     

Verification and validation study of URANS simulations for an axial waterjet propelled large high-speed ship

The accurate prediction of waterjet propulsion using computational fluid dynamics (CFD) is of interest for performance analyses of existing waterjet designs as well as for improvement and design optimization of new waterjet propulsion systems for high-speed marine vehicles. The present work is performed for three main purposes: (1) to investigate the capability of a URANS flow solver, CFDSHIP-IOWA, for the accurate simulation of waterjet propelled ships, including waterjet–hull interactions; (2) to carry out detailed verification and validation (V&V) analysis; and (3) to identify optimization opportunities for intake duct shape design. A concentrated effort is applied to V&V work and performance analysis of waterjet propelled simulations which form the focus of this paper. The joint high speed sealift design (JHSS), which is a design concept for very large high-speed ships operating at transit speeds of at least 36 knots using four axial flow waterjets, is selected as the initial geometry for the current work and subsequent optimization study. For self-propelled simulations, the ship accelerates until the resistance equals the prescribed thrust and added tow force, and converges to the self propulsion point (SPP). Quantitative V&V studies are performed on both barehull and waterjet appended designs, with corresponding experimental fluid dynamics (EFD) data from 1/34 scale model testing. Uncertainty assessments are performed on iterative convergence and grid size. As a result, the total resistance coefficient for the barehull case and SPP for the waterjet propelled case are validated at the average uncertainty intervals of 7.0 and 1.1%D, respectively. Predictions of CFD computations capture the general trend of resistance over the speed range of 18–42 knots, and show reasonable agreement with EFD with average errors of 1.8 and 8.0%D for the barehull and waterjet cases, respectively. Furthermore, results show that URANS is able to accurately predict the major propulsion related features such as volume flow rate, inlet wake fraction, and net jet thrust with an accuracy of ~9%D. The flow feature details inside the duct and interference of the exit jets are qualitatively well-predicted as well. It is found that there are significant losses in inlet efficiency over the speed range; hence, one objective for subsequent optimization studies could be maximizing the inlet efficiency. Overall, the V&V work indicates that the present approach is an efficient tool for predicting the performance of waterjet propelled JHSS ships and paves the way for future optimization work. The main objective of the optimization will be reduction of powering requirements by increasing the inlet efficiency through modification of intake duct shape.     

基于CFD的喷水推进泵导叶三维反设计研究

导叶整流效果不佳是某喷水推进船未达到设计航速的一个重要原因.介绍基于三维理论的喷水推进泵导叶设计方法,叶片形状通过给定轴面轮廓和环量分布规律后经迭代计算得出.基于计算流体力学工具建立描述喷水推进泵内流场的数值模型,采用六面体网格划分计算域,选用SST湍流模型封闭雷诺时均方程.通过周向动能与轴向动能的比值来评估导叶的整流效果,分析喷口直径和导叶轴面形状对喷水推进泵性能的影响规律.结果表明:三维反设计方法和CFD可在喷水推进泵导叶设计中发挥重要作用,导叶经优化设计后可使喷水推进泵推力提高约5%.     

喷水推进混流泵流体动力性能的CFD研究

采用CFD方法研究KaMeWa公司的某型喷水推进混流泵的流体动力性能,并分析其内部流场特性。通过几何建模,将泵划分为进口、叶轮、导叶体和喷口四部分。分别采用结构化网格离散计算区域。应用k-ε和k-ω相结合的SST湍流模型封闭控制方程,采用全隐式多区域网格耦合求解。预报其功率、扬程、效率等特性,将泵功率的计算结果与该泵厂家试验数据进行比较,误差在2%以内。说明本研究采用的CFD方法预报该泵的流体动力性能真实可信。根据计算结果,对内流场的流线和叶片表面的压力分布做了详细分析。     

喷水推进器进水流道的声传播特性分析

进水流道作为喷水推进泵脉动声源通过进水口向远场辐射的传递通道,声波经流道传播后流道进口处声压峰值频率相对流道出口声压峰值频率发生较为显著的偏移。为解释该现象,文章以进水流道为对象分析其声传播特性。首先分别利用阻抗出口边界和自动匹配层出口边界计算分析了轴对称变截面管道的声传播特性,计算值与文献值吻合较好,验证了大截面管路声传播特性数值计算的可信性。然后以进水流道为对象,并以面平均声压衰减量为评价流道声学特性的指标,利用自动匹配层出口边界分析了流道的声传播特性。结果表明:由于低频段流道内仅能传递平面波,高次波被衰减,导致该频段声压衰减量较大;声压衰减量的最小值对应频率与喷泵叶频或其谐频接近,使得流道进出口截面处最大声压对应频率产生偏移。