一种改进诱导因子计算方法的叶素动量理论体积力模型

叶素动量理论体积力模型作为能够替代真实螺旋桨的一种体积力形式,在模拟螺旋桨以及船桨相互作用问题中具有较大的应用潜力。为了处理基于理想流体假设的传统叶素动量理论在与粘性求解器耦合过程中不能在较大工况范围内准确代表真实螺旋桨模型的问题,本文提出一种基于真实螺旋桨诱导因子分布的改进方法,并进行KP505螺旋桨体积力模型在J=0.4～0.8五种进速条件下的敞水试验模拟。本文将敞水性能、桨载荷分布与诱导速度场的体积力模拟结果与真实螺旋桨模型进行了对比,结果表明改进后的体积力模型预报敞水性能误差在各进速下最大值为1.05%,且体积力模型诱导速度场可以反映真实螺旋桨尾流的动量输运。     

导管螺旋桨敞水性能数值计算方法研究

为实现快速预报导管螺旋桨敞水性能曲线,利用CFD流体计算软件对导管螺旋桨敞水试验进行数值模拟。将计算结果绘制成的敞水性能曲线与实验结果进行比较,并对导管螺旋桨的敞水性能进行分析,验证数值模拟计算方法的可行性与准确性。分析螺旋桨敞水工作时的推力、力矩及敞水效率的变化特点发现,随着进速的增大,导管产生的推力不断减小并在高航速下转化为阻力。研究该导管桨在系泊工况下的敞水性能指标,对系泊工况边界条件的设置进行改进。     

导管螺旋桨敞水性能数值计算方法研究

为实现快速预报导管螺旋桨敞水性能曲线,利用 CFD流体计算软件对导管螺旋桨敞水试验进行数值模拟。将计算结果绘制成的敞水性能曲线与实验结果进行比较,并对导管螺旋桨的敞水性能进行分析,验证数值模拟计算方法的可行性与准确性。分析螺旋桨敞水工作时的推力、力矩及敞水效率的变化特点发现,随着进速的增大,导管产生的推力不断减小并在高航速下转化为阻力。研究该导管桨在系泊工况下的敞水性能指标,对系泊工况边界条件的设置进行改进。     

艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法研究

本文给出了基于大涡模拟(LES)与Powell涡声理论的艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法.首先描述了LES方法与Powell涡声理论及其声学远场解;然后利用LES结合滑移网格计算了AU5-65螺旋桨敞水工况的水动力,得到了推力系数、扭矩系数与敞水效率,给出了螺旋桨梢涡、叶根涡、毂涡的流动结构空间分布,又计算了SUBOFF潜艇带AU5-65螺旋桨自航工况水动力,获得了实效伴流分数、推力减额与相对旋转效率等自航因子,分析了螺旋桨在艇后旋转时的涡旋结构,并将敞水与自航水动力计算结果与试验结果进行了对比分析,验证了流动计算方法的可靠性;最后,在对流动声源数值计算的基础上,对敞水与自航工况下的螺旋桨噪声进行了数值预报,并与试验结果进行了对比分析,分析了声压谱谱型与幅值,辨识了艇桨耦合流动对于螺旋桨噪声的影响,验证了数值预报方法的适用性与可靠性.     

导管螺旋桨水动力性能试验及数值研究

为了研究导管螺旋桨的推力、扭矩和敞水效率等主要水动力参数和进速系数之间的关系,本文采用物理模型试验和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）技术相结合的方式分析导管对螺旋桨水动力特性的影响。首先在本校拖曳水池开展导管螺旋桨模型的敞水性能试验然后使用计算流体软件STAR-CCM+对导管桨模型进行数值模拟。在模拟计算中应用多参考系法（Multi Reference Frames,MRF）,分别采用不同湍流模型对导管螺旋桨的水动力性能进行计算,并与试验数据进行对比,验证了STAR-CCM+软件模拟可以对导管螺旋桨的水动力性能进行有效预报且使用SST k-ω湍流模型获得的水动力性能精度更高。研究结果表明,导管螺旋桨更适用于在低进速系数下工作的重载船舶。     

艇桨一体的螺旋桨激振力和水动力噪声数值预报

[目的]螺旋桨噪声和水动力噪声是潜艇噪声控制的重点和难点,因此有必要开展艇桨一体的螺旋桨激振力和水动力噪声预报研究。[方法]以SUBOFF潜艇和DTMB 4383桨为计算对象,结合大涡模拟湍流模型和无限元方法,分析潜艇非均匀伴流场中螺旋桨激振力的变化规律,以及螺旋桨对潜艇表面压力场的影响。采用ACTRAN声学计算软件对艇桨一体的水动力噪声性能进行数值预报。[结果]计算结果表明:螺旋桨激振力的各个分量具有相同的脉动频率,脉动峰值以一阶叶频处为主,同时水平力脉动和垂直力脉动大于推力脉动;潜艇艏部、指挥台、艉翼及螺旋桨叶梢部位均存在局部高压区,这是水动力噪声的主要贡献点;艇桨一体的水动力噪声主要集中在低频段,随着频率的增加,其蝶形分布更加明显;与无桨全附体潜艇相比,带桨潜艇特征点的声压值急剧增加,对其辐射声场的影响较大。[结论]研究成果可为艇桨一体的螺旋桨设计提供参考建议。     

基于粘势耦合方法的空泡水筒阻塞效应数值模拟与分析

阻塞效应修正是提高空泡水筒水动力测量结果精度的重要措施。本文以上海交通大学新空泡水筒为研究对象,采用粘势耦合方法预报某7叶螺旋桨盘面处的实效伴流场,以此修正螺旋桨进速实现空泡水筒的阻塞效应修正。首先采用面元法对螺旋桨进行敞水预报,建立体积力模型将其力场插值到RANS网格中进行计算,得到桨盘面的实效伴流场。然后根据实效伴流分数归纳进速修正公式对螺旋桨推力和扭矩曲线进行修正,从而实现了空泡水筒到敞水结果的阻塞效应修正。结果表明,空泡水筒中计算的推力和扭矩曲线修正后与敞水中的计算吻合良好。     

基于CFD的斜流对螺旋桨性能影响探究

对于拖船、拖网渔船及高速艇等船型,其螺旋桨处在斜流工作条件下。为研究斜流对螺旋桨水动力性能的影响,文章使用商用流体力学软件STAR-CCM+对不同斜流角下螺旋桨的水动力性能进行计算。计算结果表明,斜流会导致螺旋桨敞水性能下降并诱发横向力,对船舶航速、传动轴系及船舶操纵性产生不利影响。     

基于CFD的导管调距桨尺度效应研究

常规螺旋桨在进行水动力实验时,需要满足临界雷诺数的要求,这样,实桨的尺度效应就可以忽略。但是,对于非常规螺旋桨,如导管螺旋桨,尺度效应能否忽略值得研究,因为机翼型导管和螺旋桨水动力性能各自随几何尺寸变化的规律不一致。基于CFD计算方法,对某导管调距桨的尺度效应进行数值研究。在获得可靠的数值模拟方法后,数值模拟了两个螺距比和两个进速下不同尺寸导管螺旋浆的流场。比尺包括1、1.7、3.4、4.25、8.5和17共6个几何尺寸。计算结果表明,导管螺旋桨敞水性能的尺度效应比预期的要明显。随着尺寸增大即雷诺数增大,导管的推力先略有增加后基本不变,螺旋桨的扭矩和推力略有下降,但效率有所增加;小螺距比工况下的尺度效应要比大螺距比的大。     

基于体积力的海水自流循环系统流速确定方法

[目的]为优化和比较海水自流循环系统中关键部件的多种设计方案,需建立一种能对自流循环系统流量进行快速计算的方法。[方法]采用RANS方法结合SST k-ω湍流模型开展某艇海水自流循环系统的数值模拟。用体积力代替主要部件进行数值分析,提出一种利用系统特性曲线与部件性能曲线求交点的方法确定海水自流循环系统的流速点。[结果]通过比较体积力法与部件实体加艇体的联合计算方法得到的工况点,验证了体积力法计算的准确性,从而确定了海水自流循环系统的流速;体积力法较实体联合计算法更简便、计算量更小,更适用于系统部件的多方案仿真分析。[结论]体积力法可简化数值仿真计算,可为预报实艇海水自流循环系统的流速和流量提供参考。     

基于体积力模型的潜艇应急上浮运动数值模拟分析

[目的]为了探索潜艇应急上浮运动的规律,基于体积力的螺旋桨简化模型,开展不同航速下潜艇的应急上浮运动数值模拟。[方法]对艇体水下定深直航、上浮以及上浮出水进行数值模拟,对比分析不同航速下潜艇上浮过程中艇的螺旋桨转速与航速的匹配,以及上浮运动时间和艇体姿态的变化。[结果]结果显示,随着螺旋桨转速的增大,潜艇获得稳定航速的时间越短,在水下定深直航运动的时间也越短;无论是纵倾角还是横倾角,其第1次发生变化的时刻、产生峰值的时刻等随转速的增大呈减小趋势,同时随着转速的增大,纵倾角的来回震荡波动时间会越来越长,而横倾角的来回震荡波动时间则越来越短。[结论]相关计算方法和研究结果对潜艇应急上浮运动研究具有一定的实际参考价值。     

螺距与拱度对螺旋桨水动力性能影响研究

以KP505螺旋桨为研究对象,利用CFD软件,基于RANS方法结合Realizable k-ε湍流模型开展螺旋桨水动力性能数值模拟,分析不同螺距、拱度径向分布对其水动力性能的影响.结果表明:随着螺距、拱度增大,推力和转矩均明显增加,导致螺旋桨单位面积平均推力增大,使得螺旋桨更易产生空泡现象;在中、低进速系数下,螺距越小,敞水效率越高;随拱度的增大敞水效率无明显变化.     

大侧斜桨敞水性能及流场数值研究

针对库存大侧斜桨,基于商用RANS代码,利用结构化网格技术和流道计算模型开展了大侧斜桨敞水水动力和流场的数值分析.在进速系数J ε[0.33,0.95]范围内,文中计算得到的敞水螺旋桨水动力与试验结果差异在3%以内.通过敞水螺旋桨流场计算和计及粘性影响鼓动盘计算结果比较可知,螺旋桨对桨前流场影响主要是抽吸作用;对桨后近场区域XIDP<4流场影响主要是滑流,轴向速度周向均值沿径向分布主要受桨叶负荷分布控制;到中问区域415,螺旋桨尾流变成了单一的剪切流.     

基于CFD的导管桨叶梢与内壁间隙对水动力性能影响分析

运用计算流体力学软件Fluent对粘性流场中导管螺旋桨的流场进行了计算分析,获得了导管螺旋桨敞水状态下的水动力性能曲线。改变螺旋桨叶梢与内壁的间隙△(△=0,0.025R,0.05R),分别计算导管桨的水动力性能,计算结果表明:导管螺旋桨的叶梢与导管内壁间隙越小,导管螺旋桨的推进效率越高。     

船舶艏侧推器推力减缩试验与数值计算研究

论文以艏侧推桨为研究对象,用研制的专用动力仪在循环水槽中对艏侧推器螺旋桨进行了敞水试验和带船模艏侧推器的水动力性能试验。采用有限体积法,通过求解非定常RANS方程对艏侧推器螺旋桨敞水以及艏侧推器槽道流场进行了数值模拟,得到了螺旋桨的敞水性征曲线和船舶不同迎流角下艏侧推器的推力系数。将艏侧推器螺旋桨敞水性征曲线以及艏侧推器推力系数结果与试验结果对比,对比结果表明数值模拟能够较好地计算艏侧推器的水动力性能。由于康达效应和桨之间干扰的存在,艏侧推器存在推力减缩,某些流向角下艏侧推器的推力减缩幅度超过20%;此外,数值模拟也给出了康达效应的流场细节。论文结论可作为艏侧推器设计的重要参考基础,对指导工程实践具有重要参考价值。     

带螺旋桨激振力的轴系耦合纵向振动特性分析

采用CFD方法计算目标螺旋桨的敞水性能,通过Fourier变换得到轴承激振力的频域特性。结合舰艇推进轴系的一般结构形式,建立桨—轴—艇耦合系统纵向振动动力学模型,将先前计算所得的螺旋桨激励特性与振动能量传递相结合,讨论了纵向振动形式下螺旋桨激励振动功率流的传递和振动能量传递耗散的特性,从能量角度分析纵向振动在系统耦合振动中的影响,进而基于模拟工况探讨振动能量在轴系耦合振动中的传递机理。     

不同工况下潜艇艇体-桨整体声辐射特性分析北大核心CSCD

[目的]旨在研究潜艇大侧斜螺旋桨在不同工况下的艇体-桨整体声辐射特性。[方法]以SUBOFF潜艇模型和七叶大侧斜螺旋桨为研究对象,采用大涡模拟(LES)和声学有限元方法(FEM),以及使用Fluent流体计算软件和LMS Virtual.Lab声学仿真计算软件进行联合仿真计算。[结果]结果表明:在潜艇存在进速的工况下,其艏部、指挥室围壳、艉部方向舵和螺旋桨区域的速度压力分布变化最大,整体系统的噪声传播方向以艇体周向某一方向的声压级(SPL)最高,艉部方向舵次之;在潜艇不存在进速的工况下,整体系统的噪声与螺旋桨的旋转作用有关,且在440 Hz频率处存在峰值,超过其他工况下的声压级。[结论]潜艇的艏部、指挥室围壳和艉部方向舵区域是压力脉动的重点区域,与潜艇的进速密切相关;艇体-桨整体螺旋桨噪声在低频段也主要由上述3个区域产生,在中高频段螺旋桨区域开始对艇体-桨整体噪声产生作用,总的声压级随着频率的增加而逐渐升高。     

空泡效应对冰阻塞环境下的螺旋桨性能影响研究

针对空泡效应对冰区船舶螺旋桨在冰阻塞环境下的推进性能影响,在空泡水筒开展了均流和冰阻塞环境不同空泡数下的螺旋桨模型水动力性能对比试验。试验结果表明空泡效应减缓了冰阻塞环境下螺旋桨推力均值上升的程度,加剧了非定常变化的幅度;冰阻塞环境螺旋桨受空泡影响发生推力突降的运行工况要早于均流环境。采用CFD方法对冰阻塞环境下的螺旋桨模型水动力和空泡特性进行了数值模拟,冰阻塞典型工况的螺旋桨模型水动力性能计算结果与模型试验结果误差在5%以内,在相同工况下桨叶表面的空泡形态模拟结果与模型试验基本一致,表明本文冰阻塞环境螺旋桨水动力和空泡性能的数值模拟方法具有较高计算精度。     

螺旋桨水动力性能计算粘性流体CFD方法的应用与研究

近年来,随着计算机技术的不断发展和计算能力的不断提高,计算流体力学成为预报螺旋桨水动力性能及获取船舶螺旋桨周围的粘流场等流动特征的一个重要手段。本文以DTRC 4119螺旋桨作为研究对象,介绍粘性流体CFD方法在螺旋桨敞水性能预报中的数值模拟流程。基于粘性流体CFD方法,对粘性流场中敞水螺旋桨的水动力性能进行预报,通过与实验数据对比,分析在不同进速系数下的推力系数、转矩系数、螺旋桨表面压力分布以及螺旋桨后尾流场等情况。根据结果的比较分析可知,基于CFD方法可以形象、真实地获知螺旋桨表面的压力以及尾部流场的分布情况。最后总结了在CFD数值模拟中应注意的问题。     

导管参数对导管螺旋桨水动力性能影响研究

对42 m拖网渔船设计了导管螺旋桨,利用FLUENT软件计算其敞水水动力性能。在保持螺旋桨形状不变的情况下,改变导管的长径比、收缩系数和伸张系数三个形状参数,分别计算并比较它们的敞水水动力性能,进而研究导管参数对整个推进器推进效果的影响规律。