吊舱式电力推进船舶螺旋桨匹配设计仿真研究

在国内,吊舱推进器的设计还处于理论起步阶段,尤其是吊舱推进器螺旋桨,其设计方法尚未成熟,而螺旋桨的设计对于整个推进系统推进性能的影响又尤为关键,关系到船—机—桨匹配的综合推进性能。为此,采用常规螺旋桨敞水特性图谱等效设计POD螺旋桨参数的方法对吊舱推进器螺旋桨进行设计,分析吊舱式推进船舶船—机—桨的匹配性能。为了提高设计效率及优化推进系统的推进性能,针对吊舱式电力推进船舶,采用常规螺旋桨等效设计方法设计POD螺旋桨参数,同时基于LabVIEW图形化编程语言开发船—机—桨匹配数值分析软件以对设计参数进行静态匹配计算,并与母船的推进效率进行对比,选取最优化的螺旋桨参数作为POD螺旋桨参数,以优化推进效率。研究结果表明：采用常规螺旋桨等效设计方法设计POD螺旋桨参数的方案,同时结合开发的船—机—桨匹配数值仿真分析平台,可以方便、快捷地对吊舱式推进船舶进行船—机—桨匹配分析计算比较,提高推进性能。     

避免单桨船后体振动的船桨配合选择

本文在分析影响单桨船伴流不均匀程度的船型参数的基础上,根据实船资料,用有约束的最优化方法求得了用船舶后体形状参数估算伴流特征参数的经验公式。在船舶设计阶段,对不作船模伴流场测试的船舶可用这个经验公式估算伴流特征参数。计算实例表明,本方法求得的伴流特征参数估算值与模型测试结果接近。据此,进一步提出一种经验方法,由船舶后体形状参数τ和φ及螺旋桨叶梢沉深H_1来表达螺旋桨转速与直径乘积的限界值[n·D]_(限界),若螺旋桨转速与直径之乘积大于这个限界值,必须修改后体线型或修改螺旋桨参数,直至满足n·D≤[n·D]_(限界),以求单桨船的船桨配合有良好的振动特性。     

潜艇伴流场对螺旋桨激振力的影响北大核心CSCD

[目的]潜艇附体结构会显著影响桨盘面处的伴流场,进而影响螺旋桨的激振力特性。掌握伴流场特性对激振力的影响规律有助于潜艇和螺旋桨低激振设计。[方法]基于Suboff潜艇模型和INSEAN E1619螺旋桨,采用RANS方法对不同附体伴流场下艇后螺旋桨的激振力进行数值模拟,并使用谐调分析方法对桨盘面处伴流场进行定量表征,然后再结合螺旋桨瞬态流场的分布特性,揭示线谱激振力的产生机理。[结果]结果显示,伴流场谐调分量各阶数的分布情况与单叶片激振力线谱的分布一致,且单叶片激振力主频处的相对幅值与七叶片螺旋桨基本相等;周向对称的艉舵对伴流场谐调分量的影响主要集中在4阶和8阶,对七叶螺旋桨激振力的影响较小;围壳影响伴流场各阶的谐调分量,对七叶螺旋桨激振力起主要作用。[结论]艉舵对激振力的影响小于围壳,为改善螺旋桨激振力特性,应重点对潜艇围壳进行优化。     

斜流中船舶水动力及伴流场数值预报分析

船舶的斜航状态会造成船尾伴流场不均匀,使螺旋桨桨叶承受周期性的变化力,降低螺旋桨性能并导致空泡现象恶化和船舶振动.为预报斜航状态下船舶水动力及船尾伴流场,采用混合网格技术,利用RANS方法和VOF模型,考虑自由液面的影响对KCS船开展了直航和斜航状态下数值预报分析.首先对船舶直航状态进行数值分析,得到的结果与试验结果比较接近,进而对船体在斜航状态下进行了数值模拟.结果表明,漂角的存在会对船舶阻力产生较大影响,且对球首底部和船尾舭部压力分布影响较大,导致兴波阻力增大,船尾伴流场均匀性变差,对螺旋桨激振力不利.     

基于PropCad的螺旋桨几何建模研究

为了将螺旋桨设计所得到的主要参数和水动力性能转换为螺旋桨几何模型,基于PropCad软件,对桨型、桨叶数、旋向、桨径、盘面比、螺距、后倾角、侧斜、叶剖面等诸多因素进行精确控制,以准确快捷地完成螺旋桨几何建模。研究结果表明:根据船舶参数和螺旋桨参数等建模输入,借助Prop Cad软件进行输出螺旋桨2D/3D图、桨叶切面型值表、桨叶厚度送审报告,可以精确高效地将螺旋桨设计所得到的主要参数和水动力性能转换为螺旋桨几何模型。     

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。     

Long marine shafting alignment and optimization considering propeller hydrodynamic force in wake field北大核心CSCD

[目的]针对计入螺旋桨水动力的舰船轴系校中计算,传统方法通常容易忽略船体伴流场的影响,使得螺旋桨水动力计算的结果与真实值之间存在较大偏差,从而导致轴系校中精度下降。[方法]以某舰船长轴系为对象,建立桨-轴-船一体化有限元模型及其伴流场流域模型,利用CFD数值仿真的叠模方法计算螺旋桨水动力;采用流固耦合法将流体计算结果作用于螺旋桨表面,进行轴系校中计算,并得到螺旋桨水动力对轴系整体挠曲线及各轴承状态参数的影响规律。在此基础上,引入多目标优化算法开展轴系多目标优化校中,来解决轴系末端四套轴承间载荷差值过大的问题。[结果]考虑螺旋桨水动力后,轴系尾部挠度变化减小,越靠近螺旋桨处的轴承其载荷所受影响越大,载荷值随进速系数的增大而减小;对比多目标优化前后的轴系校中状态,轴系各轴承之间的载荷差值明显减小,轴系运行状态得到改善。[结论]所提方法提高了计入螺旋桨水动力的轴系校中计算精度,可为轴系校中质量的提升提供参考。     

DTMB 5415船绕流场数值研究

本文以DTMB 5415船为研究对象,应用基于URANS方法的CFD方法进行DTMB 5415船设计状态下船舶绕流场研究,其中湍流模型应用SST模型,自由液面捕捉应用VOF方法;应用CFD方法对船舶阻力性能、自由表面兴波、船舶螺旋桨盘面处的标称伴流场以及尾部轴向速度场等进行数值模拟与分析;将设计状态下DTMB 5415船绕流场数值模拟值与实验值对比,其船舶阻力、自由表面兴波、螺旋桨盘面标称伴流场等的良好吻合证明了网格与数值方法的正确性。本文还对船舶尾部不同截面绕流场边界层厚度以及整船边界层分布进行了研究且与实验值进行了对比。     

复合材料螺旋桨弯扭耦合刚度特性分析

[目的]复合材料螺旋桨的弯扭耦合变形程度反映了桨叶的刚度特性,而桨叶刚度特性又与其水动力性能存在一定的相关性,将从刚度的角度对复合材料螺旋桨的纤维铺层进行优化设计.[方法]首先,以DTMB 4383复合材料螺旋桨为研究对象,基于复合材料螺旋桨流固耦合自迭代算法,构建桨叶弯扭刚度数值计算方法;然后,分别在桨叶铺设单向碳纤...     

双桨船螺旋桨的适伴流设计

讨论了双桨船和单桨船伴流场的不同特点,给出了双桨船切向伴流的分析方法和不同旋向下的螺旋桨设计结果,指出双桨船适伴流设计考虑切向伴流影响的必要性.内旋设计桨在大型循环水槽中进行了模型试验,试验结果表明螺旋桨的空泡和脉动压力性能优良.     

船舶四桨布局对水动力相互干扰的分析研究

针对一艘四桨推进的船舶,采用CFD数值仿真方法,分别模拟内、外桨位置变化后主船体及螺旋桨周围的流场,分析螺旋桨的布局,尤其是内、外桨横向、纵向距离的变化对螺旋桨推力系数、转矩系数、以及敞水效率的影响,提出船舶四桨布局的优化方向,给出四桨船布局优化的建议。     

非均匀粘性流场螺旋桨非定常水动力性能研究

基于RANS方程和RNG k-ε湍流-模型,采用结构-非结构多块混合网格研究了船后非均匀流场中螺旋桨的非定常水动力性能。计算了DTMB4119螺旋桨的敞水性能,考察了网格依赖性。采用傅立叶变换进行了螺旋桨伴流场的谐调分析,并结合UDF功能实现了模型试验伴流场的输入。采用滑移网格技术模拟了非均匀流场中HSP螺旋桨的非定常特性。计算结果与试验结果的比较表明,建立的船后螺旋桨的非定常受力及表面压力分布计算方法精度较高,能够满足工程应用要求。     

空间不均匀流场诱发螺旋桨振动的实验研究

[目的]为获得空间不均匀流场诱发的螺旋桨振动随其固有频率的变化关系,进行实验研究。[方法]实验获得两种几何外形相同而材料不同的七叶大侧斜螺旋桨在不同工况下的动应变。实验中的空间非均匀流场由螺旋桨上游400 mm处布置的4阶或6阶尾流窗产生。在尾流窗下游100 mm处布置激光多普勒测试系统,测得流场的轴向速度分布。利用贴在桨叶不同位置的应变片测试系统测得桨叶振动应变。[结果]获得了桨叶振动随螺旋桨转速与尾流窗变化的规律,在均匀来流条件、4阶和6阶不均匀来流条件下,动应变频谱的最大峰值分别出现在轴频、4倍轴频和6倍轴频处。明确了非均匀流场激励下桨叶固有模态对其振动响应的影响,当6倍轴频激励力的频率与塑料桨的固有频率一致时发生共振,桨叶振动的幅度最大。[结论]本研究表明设计人员设计螺旋桨时,除关注其水动力性能外,应考虑其固有频率的影响。     

实效伴流雷诺数影响的数值模拟

本文用数值计算的方法模拟三维船舶尾流与螺旋桨之间的相互作用，计算在四个不同量级雷诺数值情况下的水动力性能，船浆干扰采用三维不可压ＲＡＮＳ方程、ｋ－ε湍流模型和升力面理论作为基本研究工具进行进行相互干扰和迭代来预报此复杂流场及其螺旋桨的水动力性能，比较四个不同量级雷诺数情况下实效伴注分布及实效伴流分数的计算值，初步探索实效伴流的雷诺数影响。     

基于CFD的涡尾船改型优化设计

通过CFD方法计算模拟涡尾船原型与优化改型的尾部流场;通过对比桨盘面处轴向、周向速度分布,得出优化改型比原型轴向伴流更均匀,改善了螺旋桨的工作条件,增大了来流的周向速度,提高了螺旋桨的推进效率。模型试验验证了计算结果的合理性,说明船舶优化设计中采用合理的数值计算方法是可信的,可以提高设计研究效率。     

基于伴随方法的舰船推进器优化设计

[目的]为探索高效的螺旋桨优化设计方法,基于面元法开展伴随优化方法的研究.[方法]通过桨叶表面法向速度为零条件和等压库塔条件建立伴随方程,得到敏感导数求解式.以DTMB 4381螺旋桨为对象,分别运用伴随方法和传统的求解控制方程方法计算螺旋桨性能与参数之间的敏感导数;基于伴随方法对某螺旋桨进行敏感导数分析,再根据敏感导...     

基于数值计算的舰船可调螺距螺旋桨水动力性能分析

螺旋桨是船舶动力推进系统的重要组成部分,随着远洋航运业的发展和海洋环境的复杂化,船舶推进系统对螺旋桨的动力性能提出了更高的要求。可调螺距螺旋桨可以通过改变螺旋桨的桨叶螺距调节柴油主机的负荷,充分利用舰船柴油主机的功率。本文借助数值计算方法和有限元分析技术,对舰船可调螺距螺旋桨的水动力性能进行了详细的分析,并对螺旋桨的桨叶强度和螺距修正参数等进行了校核。     

某AU型螺旋桨的三维建模及其性能分析

螺旋桨性能将直接影响船舶的快速性和推进效率,文章以AU型螺旋桨为对象,运用实体建模和数值仿真等方法对螺旋桨性能进行研究。首先用MATLAB将螺旋桨的基本参数和不同半径处叶切面二维坐标转换为空间笛卡尔坐标,再将笛卡尔坐标值导入Solidworks中建立三维实体模型,然后在Fluent中选择RNG k-ε湍流模型,运用CFD数值方法对螺旋桨进行性能仿真,研究不同进速下螺旋桨的推力系数、转矩系数、敞水效率和桨叶压力分布等参数特性变化趋势,分析计算结果的准确性。通过对螺旋桨性能的分析,得到螺旋桨运转时尾流场特性,为空泡、振动分析提供理论依据,为以后螺旋桨优化设计提供参考。     

大型LNG船螺旋桨设计研究

以一艘220 000 m3 LNG船为例,介绍了大型LNG船螺旋桨的设计思想、设计过程和设计桨参数.不同于常规单桨船螺旋桨设计,双桨船的适伴流设计必须考虑切向伴流影响,给出了实效切向伴流分布的计算方法.模型试验结果表明设计桨的空泡和脉动压力性能优良,所有8个测点的脉动压力幅值都小于4kPa,推进性能满足航速要求.     

冰块阻塞状态的螺旋桨空泡激振力特性分析

针对极地船舶在冰区航行时的冰水混合环境对螺旋桨性能影响,本文采用RANS方法对不同冰块阻塞和压力状态的螺旋桨非定常空泡和水动力性能进行数值模拟,分析了冰块阻塞状态对螺旋桨空泡激振力的影响规律。结果表明,冰块阻塞状态的螺旋桨水动力性能由冰桨逼近的流场阻塞和桨叶空泡效应共同决定,冰阻塞物下游产生的低速低压回流区可改变螺旋桨附近流场结构和压力场分布,加剧桨叶空泡形态的不规则和螺旋桨空泡激振力的时域非定常性。从频域上看,冰桨阻塞作用造成螺旋桨空泡激振力的高阶量显著上升,空泡激振频率向高阶次移动。