全结构网络技术在螺旋桨水动力性能预报中的应用

螺旋桨是船舶动力系统的重要组成部分,随着船舶逐渐向着高速化、大载重方向发展,对船舶的动力性能有了更高的要求,也对螺旋桨的推进效率、噪声性能等有了更高的要求。在船舶螺旋桨的设计和优化过程中,计算流体力学CFD发挥了非常重要的作用,包括螺旋桨水动力性能分析、空泡特征预测等。本文主要研究了船舶螺旋桨的运动模型和水动力方程,在此基础上采用了全结构网络技术对螺旋桨模型进行网格划分,并对螺旋桨的水动力性能进行了基于软件Fluent的性能仿真和预报。     

基于VB.NET实现螺旋桨水动力特性参数化分析

螺旋桨性能直接决定船舶航行能力的优劣,因此对于船舶螺旋桨性能预报的研究显得非常重要。为了减少螺旋桨性能预报过程中繁琐步骤,提高分析效率,基于VB. NET和ANSYS工程软件,开发螺旋桨参数化性能分析软件,避免重复进行建模、网格划分等操作。文章提供不同类型及不同工况下的螺旋桨范例,能满足常规要求下的各类螺旋桨性能预报分析。经过实例验证,根据螺旋桨几何特征,选取待分析螺旋桨的相似模型计算范例,在范例的基础上,修改螺旋桨相应的参数,可获得螺旋桨性能预报满意值,能明显缩短分析时间,减少用户工作量,为相似类型螺旋桨性能预报分析提供了新的思路。     

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。     

随轴系做复杂空间运动的船舶 螺旋桨水动性能计算

船舶航行时,附在转轴上的螺旋桨通常做复杂的空间运动。这是因为一方面螺旋桨和转轴不可避免地存在偏心,使得在不平衡激励下转轴在绕自身中心线旋转的同时又发生空间涡动(又称为进动);另一方面,螺旋桨通常工作在不均匀的流场中(即使来流均匀,轴系涡动亦会导致流场的不均匀),桨叶表面的脉动力也会导致转轴的空间振动。对具有复杂三维运动的螺旋桨的水动性能预报是一个难点。本文建立了螺旋桨在流场中随轴系做复杂空间运动时的水动力预报数学模型,并利用不定常面元法求解了这一问题。该方法按时间步顺序求解,考虑了不均匀流场、轴系振动、尾涡的非线性运动及卷曲等因素。利用本文提出的方法并结合结构动力学模型,可以方便地研究流体-螺旋桨-轴系双向流固耦合等问题。同时该方法也可以用来预报船舶转弯、船舶升沉及纵摇振荡、螺旋桨启停及加速等复杂工况下的螺旋桨水动性能。文中通过一个算例验证了算法的有效性。最后,预报了轴系纵向振动幅值为1 mm,振动频率为3 Hz并伴有微量回旋振动时所引起的4381螺旋桨的脉动力。研究表明推力脉动分量大约为其静态分量的4.5/1 000,扭矩脉动分量大约为其静态分量的4/1 000。     

转捩模型在螺旋桨数值计算中的应用

螺旋桨敞水性能数值计算是船舶快速性能分析的基础,其计算精度对船舶快速性预报的准确度至关重要,湍流模型的选用是保证螺旋桨敞水性能计算精度的关键.本文利用k-ωSST湍流模型和γ-R?eθ转捩模型对螺旋桨敞水性能进行了计算.结果表明,在模型尺度下螺旋桨叶片表面流动的相当一部分还保持着层流状态,带有转捩能力的湍流模型对这类流动具有更强的模拟能力.     

螺旋桨片状空泡的CFD分析

基于RANS求解器采用非结构化网格对螺旋桨敞水性能和空泡性能进行了数值模拟,主要研究了不可压缩性气体质量分数对螺旋桨片空泡预报结果的影响,空泡模型采用基于输运方程的完整空化模型,预报的敞水性能与试验值吻合较好,预报的空泡形态与文献结果及公开发表的试验结果相一致。这表明,用该方法预报螺旋桨空化性能是可行的,为以后进一步研究螺旋桨空泡打下了基础。     

基于有限元分析与MMG建模的POD船舶自抗扰控制研究

POD吊舱船采用了一种新型的船舶推进方式,与传统的船尾螺旋桨动力推进不同,吊舱船在船舶尾部安装了一种具有旋转自由度螺旋桨,可以产生360°回转作用力,可以大大提高船舶的动力特性和操控性能。本文首先采用一种MMG分离建模的方法,建立了POD船舶的动力模型和船舶所受作用力模型,然后在传统的船舶操控系统基础上建立了具有自抗扰功能的POD控制系统,并基于有限元模型对POD船舶的控制性能进行仿真分析。     

基于体积力法的船舶回转运动水动力数值研究

船舶的回转性能是船舶操纵性能的一个重要方面,准确预报船舶回转运动时的水动力对于船舶的安全操纵设计具有重大意义。对照试验数据,应用计算流体动力学(CFD)方法,基于商用软件FLUENT数值求解RANS方程,采用定常旋转坐标系,运用一种便捷的描述型体积力模型代替实体螺旋桨的作用,预报船舶做单平面定常回转运动时的受力和力矩。计算结果与理论值吻合较好,研究表明应用本文所采取的体积力法数值研究船舶定常回转运动是高效、可行的。     

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.     

基于结构化网格技术的螺旋桨定常空泡性能数值分析

为了研究定常状态下螺旋桨的敞水性能和空泡性能,采用基于粘流理论的CFD方法开展了系统地计算分析。采用结构化网格方案,将计算区域划分为两个计算区域,内域包含螺旋桨,并将桨叶表面以及桨毂表面的网格进行加密。通过将螺旋桨推力、转矩系数及效率等水动力特性参数的计算值与试验数据进行对比分析,验证了本数值方法的可靠性。利用多相流混合模型计算了螺旋桨的定常空泡性能,并简要分析了不同空泡数下的螺旋桨空泡性能,为以后预报螺旋桨空泡性能提供一种可行方案。     

基于CFD的污底位置对船舶阻力的影响分析

污底现象广泛存在于船舶航行过程中,船舶污底的附着会使船舶阻力增加、推进效率下降,燃油消耗增加,影响船舶的性能。为深入研究污底对船舶阻力性能的影响,本文以附着污底的散货船为研究对象,基于CFD方法,分析污底的不同分布形式对船舶阻力性能的影响。建立船体三维模型,通过数值模拟计算结果与实船使用数据结果对比,验证CFD技术在船舶阻力性能预报中的可靠性。     

船舶动力机械螺旋桨在不同湍流的动力性能仿真

不同动力机械螺旋桨在湍流环境下进行动力性能仿真过程中,存在量化误差较大的问题,为此提出船舶动力机械螺旋桨在不同湍流的动力性能仿真。分别设计螺旋桨动力性能仿真平台硬件结构和软件系统,实现螺旋桨动力性能仿真平台构建;基于仿真平台对船舶动力机械螺旋桨湍流流体动力学进行分析,通过平台大数据技术,实现船舶动力机械螺旋桨在不同湍流的动力性能仿真分析。试验数据表明,本文系统仿真效果与常规仿真方法相比,量化准确率提升10.25%,适合不同环境下的船舶螺旋桨动力性能分析。     

基于GA-BP神经网络的螺旋桨水动力性能预报方法

为了快速预报螺旋桨水动力性能，提出一种遗传算法优化BP神经网络（GA-BP）的螺旋桨水动力性能快速预测方法。采用计算流体力学（CFD）方法，使用FLUENT软件对P4119螺旋桨水动力性能进行仿真计算，结果表明CFD方法可替代敞水试验获取螺旋桨水动力性能。采用CFD方法计算100组不同系列螺旋桨的水动力性能，建立GA-BP神经网络螺旋桨水动力性能预测模型，以计算所得的100组数据为模型的学习样本，选择其中的80%为训练集，10%为验证集，10%为测试集，对比分析传统BP神经网络和GA-BP神经网络模型的预测效果。结果表明，GA-BP神经网络预测结果预测精度更高，能够满足快速预测螺旋桨水动力性能的要求。     

艇体/导管螺旋桨干扰特性尺度效应数值模拟研究

尺度效应是船舶性能预报过程中不可忽略的重要因素,对于非常规推进器推进水下航行体其影响更加复杂。文章采用数值模拟方法研究不同尺度下导管螺旋桨与艇体之间的相互干扰,分析尺度效应对推进器艇后推进性能的影响。计算了三个不同尺度自航模型中推进器的艇后作用曲线以及自航点处的推进性能,研究了尺度效应的影响;对自航模型中螺旋桨尺度效应的成分进行分析,得出了螺旋桨尺度效应的主要来源。     

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。     

基于CFD的船舶双螺旋桨水动力性能分析

目前,采用双螺旋桨的船舶较为广泛,但是由于船桨之间的相互干扰,造成螺旋桨水动力性能存在差异。本文以某型船舶双螺旋桨作为研究对象,基于滑动网络技术,采用ICEM软件建立螺旋桨的三维模型,采两种不同的湍流模型,分析了湍流模型对螺旋桨水动力性能的影响。采用对称边界模型对双螺旋桨进行数值计算,与单螺旋桨进行对比分析,双螺旋桨提升了推进效率。     

斜流下螺旋桨空泡及脉动压力数值预报研究

空泡性能是船舶螺旋桨重要的水动力性能之一。由于桨轴存在倾斜安装角，船舶在水面航行时，螺旋桨的进流条件主要为斜流工况。为研究斜流工况下螺旋桨的空泡形态及空泡脉动压力特性，论文基于黏流CFD方法针对PC456螺旋桨标模开展了斜流下螺旋桨空泡及脉动压力数值模拟研究，并与大型空泡水筒中的斜流螺旋桨空泡试验结果进行了比较。结果表明，数值预报的空泡形态、面积和平板表面脉动压力与试验观测及测量的结果吻合较好，验证了数值模拟方法的可靠性。     

基于样本库方法的船舶冲击环境预报

舰船作为水上作战的主要工具成为国家国防中的重要角色。本文提出一种采用建立样本库的方法研究船舶抗冲击性能。该方法的主要思路是:考虑影响船舶冲击环境的诸多因素,建立3艘不同类型船舶在不同冲击因子作用下的冲击环境样本库。采用样本库方法预报其他船舶冲击环境时无需再进行繁琐、耗时的有限元建模、加载以及数据后处理,实现了冲击环境的快速、便捷预测的功能。     

船舶尾部流动与多个螺旋桨相互干扰的数值模拟

本文使用RANS方程，K－ε模型和螺旋桨升力面理论，通过力场模型将船舶尾部流动计算程序和螺旋桨性能预报计算程序耦合，用数值方法模拟了由多个螺旋桨驱动的船舶尾部流动的复杂结构和形态，初步探索了船尾流动与多个旋转螺旋桨之间的强烈相互作用。一个带四桨的船模作为数值例子。给出了计算结果并作了定性和定量的分析，与可用的试验结果作了比较，较为吻合。