螺旋桨空泡和噪声特性试验研究（英文）

本文通过螺旋桨空泡噪声模型试验,研究螺旋桨空泡和噪声特征,以及螺旋桨不同阶段空泡和噪声的关系,探究螺旋桨噪声产生及控制机理。建立了螺旋桨空泡和噪声同步测试方法,针对2400 TEU集装箱船螺旋桨开展模型试验。从螺旋桨模型试验结果分析得出:片空泡脱落形成梢涡空泡产生的噪声量级最高,且具有宽带特性,梢涡空泡噪声量级次之;模型状态下片空泡脱落形成梢涡空泡,以及独立的梢涡空泡引起的空泡噪声均在1 000 Hz附近存在明显峰值,对应实桨的峰值频率为50-60 Hz。     

螺旋桨空泡与脉动压力及振动特性研究

为了提高螺旋桨效率,在船舶螺旋桨设计中通常会增大桨叶梢部载荷。桨叶在旋转过程中不断地重复进入和退出船体尾流场,使得梢涡空泡容易发生猝发(bursting)现象;另外由于尺度效应的存在使得梢涡空泡在实船螺旋桨上比模型试验观测到的更为强烈,猝发现象更容易发生并且更为剧烈;当梢涡空泡猝发产生时将引起脉动压力高阶量或宽带谱的增大,从而引起相应的船体振动或严重的噪声。本文通过对3 600箱集装箱船实船螺旋桨梢涡空泡猝发现象与脉动压力、振动等特性关系的分析,研究了螺旋桨梢涡空泡猝发引起的脉动压力高阶量或宽带谱特性以及相应的振动等特性。结果表明:船体振动宽带谱特性与螺旋桨梢涡空泡的猝发有关;螺旋桨梢涡空泡猝发引起的船体振动高阶量特性比脉动压力高阶量更为强烈。     

均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报

文章采用Sauer空化模型,研究了网格类型和湍流模型对均流中螺旋桨梢涡空泡数值模拟的影响,研究表明,现有的空泡模型适合于螺旋桨梢涡空泡的数值模拟,其中梢涡空泡区域网格密度是关键,文中提出了一种合适的梢涡空泡区域网格加密方法.对PPTC螺旋桨全湿流和梢涡空泡进行了数值预报,螺旋桨梢涡空泡形态与试验结果进行了对比,并应用涡判据"Q准则"和"λ2准则"分析了梢涡与梢涡空泡的流动特征.全湿流中梢涡区域的涡量随周向的分布呈现单峰特性,最小涡量在涡心处,而空泡流中梢涡空泡区域的涡量随周向的分布呈现双峰特性,最小涡量不在涡心处.     

一种螺旋桨模型噪声的试验研究

螺旋桨模型试验中,有时噪声谱中出现窄带噪声峰,有人认为这个峰是梢涡空泡噪声,是“看不见的梢涡空泡”引起的,但这种解释未经实验证明。本文用实验证实这种窄带噪声峰与桨叶梢部流动有关,无论梢涡空泡可见与否,都可能出现。     

螺旋桨几何形状对其水下噪声的影响

高性能、低噪声的螺旋桨表现在其叶梢早期空泡很少，即使空泡扩展也能使噪声降到允许值以下。这里提供了几种可改变外形的螺旋桨以研究其几何形状对噪声的影响。通过螺旋桨模型试验，测试在有空泡产生状况下的早期空泡数量和水下噪声，研究发现早期空泡数量低的螺旋桨产生的噪声也并不总是处于较低等级。另外，根据试验和CFD分析结果找出几种低噪声螺旋桨的设计思路。     

均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报（英文）

文章采用Sauer空化模型,研究了网格类型和湍流模型对均流中螺旋桨梢涡空泡数值模拟的影响,研究表明,现有的空泡模型适合于螺旋桨梢涡空泡的数值模拟,其中梢涡空泡区域网格密度是关键,文中提出了一种合适的梢涡空泡区域网格加密方法。对PPTC螺旋桨全湿流和梢涡空泡进行了数值预报,螺旋桨梢涡空泡形态与试验结果进行了对比,并应用涡判据"Q准则"和"λ2准则"分析了梢涡与梢涡空泡的流动特征。全湿流中梢涡区域的涡量随周向的分布呈现单峰特性,最小涡量在涡心处,而空泡流中梢涡空泡区域的涡量随周向的分布呈现双峰特性,最小涡量不在涡心处。     

大型空泡水筒中螺旋桨尾流场2D-PIV测量

文章以DTMB P4119桨为研究对象,运用2D-PIV技术,在大型空泡水筒开展均匀来流下螺旋桨尾流场测试研究.介绍了试验设置以及方案,通过对轴平面不同相位下螺旋桨尾流场的测试,分析了梢涡、尾涡的结构,以及梢涡、尾涡在尾流中生成、演化过程,试验还研究了螺旋桨尾流场随进速系数变化产生的变化情况.试验表明,PIV技术用于大型空泡水筒中螺旋桨尾流场测试是可行的.试验所获得的定量信息为螺旋桨尾流场复杂流动现象的揭示提供了帮助.     

螺旋桨梢涡及梢涡空泡数值模拟

以PPTC(Potsdam Propeller Test Case)桨为研究对象,探索了螺旋桨梢涡及梢涡空泡的数值模拟方法。通过梢涡区域的划分及网格加密,对螺旋桨无空化流场进行了数值模拟,成功捕获了梢涡;然后基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对空化流场进行了数值模拟;并将计算结果与试验数据进行了广泛的比较和分析,以校验计算网格和计算方法。研究表明:无论片空泡还是梢涡空泡的计算结果均与试验观测吻合良好;同时,所得螺旋桨推力和扭矩系数也与试验值符合良好;有效地实现了梢涡捕捉及梢涡空泡模拟。同时指出,水中含气率对推力和扭矩系数的影响大于空泡形态。     

螺旋桨梢涡空泡初生及尺度效应研究

应用气泡动力学方程和气泡运动微分方程研究了螺旋桨梢涡空泡的初生问题,并根据简化Reyleigh-Plesset方程推导了不同尺度模型空化初生空泡数换算公式,建立了空化初生尺度换算模型,研究了螺旋桨梢涡空泡初生尺度效应问题。螺旋桨梢涡流场应用RANS方法求解,湍流模型为经过旋转和曲率修正的代数雷诺应力模型(EARSM-CC)。计算结果表明,文中建立的数值方法能够准确预报出螺旋桨梢涡流场分布;螺旋桨梢涡空泡初生空泡数计算结果高于试验观察值;应用文中建立的空化初生尺度换算模型得到的结果与数值模拟结果基本吻合,而且其结果偏于安全。     

三维水翼梢涡空泡和片空泡的雷诺数影响试验研究

螺旋桨空化是影响船舶隐身性能的一个重要因素,其中片空泡和梢涡空泡是两种主要的空泡类型。由于空化现象的复杂性,当前在工程实践中对螺旋桨空泡的预报主要是依靠模型试验。由于无法满足全相似律,如在缩比模型试验中难以满足雷诺数相似,其引起的尺度效应是影响预报精度的重要障碍。为此,需要引入相关的修正方法。针对一个给定尺度的三维水翼进行了不同攻角、不同水速下梢涡空化及片空化的试验来考察雷诺数的影响。试验在中国船舶科学研究中心的循环水槽进行,采用了高速摄影与水声设备。试验结果为建立基于模型试验的螺旋桨空化实船预报方法提供了依据。     

带前置定子的导管桨片空泡数值预报及梢涡空泡起始判别研究

对水下航行体后带前置定子的导管桨片空泡和梢涡空泡起始进行研究。首先,采用基于混合网格的RANS求解器结合Singal空泡模型,数值模拟带前置定子导管桨片空泡形态,并与试验结果进行对比,预报的片空泡形态与试验结果吻合良好,表明用该方法预报水下航行体后带前置定子导管桨片空泡可行;其次,对水下航行体后带前置定子的导管桨多个方案全湿流动进行了数值模拟,通过梢部端面的最小压力值判断空泡起始,与试验结果进行比对,其吻合良好,表明可用该方法判别梢涡空泡起始。     

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。     

某散货船模型螺旋桨噪声性能试验研究

介绍了在中国船舶科学研究中心大型循环水槽中开展的某散货船模型螺旋桨噪声性能试验,试验结果表明在试验工况下,模型螺旋桨已经产生空化,此时主要为螺旋桨的空化噪声.通过对此散货船螺旋桨空化噪声结果的分析,可以得到:螺旋桨的空化噪声峰值频率在50Hz以下;在空化噪声的峰值频率以上,螺旋桨模型的辐射噪声基本以6dB/Oet下降;在试验工况下,整个频段内螺旋桨的辐射噪声比无空化时高10dB以上.     

On the mechanism of the bursting phenomena of propeller tip vortex cavitation

 The bursting phenomenon of tip vortex cavitation of a propeller sometimes causes severe high-frequency vibration, but its mechanism has not yet been elucidated. In this study, we carried out model experiments by changing the propellers, wake distributions, thrust coefficients, and cavitation numbers parametrically, examined the bursting phenomenon with a high-speed video camera, and measured the pressure fluctuations caused by the phenomenon. We also measured flow distribution around the tip vortex. As a result, we found that in the bursting phenomenon, large pressure fluctuations occurred twice, and that they strongly depended on the wake distribution. Two means were suggested to suppress the bursting phenomenon, other than changing the wake distribution: stabilizing tip vortex cavitation or reducing the cavity volume. Numerical fluid simulations around a propeller in noncavitating, unsteady conditions were also conducted, and the strength of the tip vortex along the circumference and its derivative were examined. As a result, the phenomena were parameterized by the time derivative of the strength of the tip vortex, and if it was higher than a threshold value, the tip vortex cavitation burst. Therefore, it is possible to predict the occurrence of the bursting phenomenon by numerical analysis. Received: November 6, 2001 / Accepted: January 24, 2002     

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。     

Underwater acoustic field and pressure fluctuation on ship hull due to unsteady propeller sheet cavitation

The main objective of this paper is to develop an efficient numerical method which can predict the underwater acoustic field and pressure fluctuation on a ship hull due to unsteady propeller sheet cavitation by linear acoustic theory. In addition, the noise scattered from the ship hull and reflected from the free surface are included. Concerning the computation of the acoustic field induced by unsteady sheet cavitation and forces of a marine propeller, a method is derived without making any approximation about the distance function between the noise source and field point. Thus, this method can be used to predict acoustic pressure at both far and near fields, and this is very important for the scattering problem because the ship hull is located very close to the propeller. For the computation of the scattering problem, a more efficient and robust method is derived in time domain, which can treat multi-frequency waves scattered from underwater obstacles. The acoustic fields of a container ship radiated by the propeller and scattered from the ship hull with free surface is investigated in this paper. The pressure fluctuations of low blade rate on the ship hull induced by the propeller are also computed by the present method and are found to be similar to the results obtained by a panel method satisfying the Laplace equation for the points near the propeller due to the small retarding time. However, for the points on the ship hull away from the propeller, the differences of the results between two methods will increase.     

船舶螺旋桨空化噪声非均匀调制特性及其应用

从螺旋桨空化噪声谱统计模型出发,分析研究螺旋桨空化噪声非均匀调制特性的机理和规律,并利用大量海上实录船舶噪声进行验证.从形成机理看,认为非均匀调制特性主要由船尾形状、螺旋桨结构以及船舶航行工况共同决定的尾流分布所导致,不同型号船舶的非均匀调制特性具有个体性;从舰船噪声信号能量谱看,调制的非均匀特性,主要受能量谱峰值频率的影响.最后基于船舶噪声的非均匀调制特性,提出一种基于多子带自适应加权的DEMON增强算法,并利用实际数据进行验证.     

水翼叶顶间隙漩涡空化流动特性研究

采用试验的方法研究了不同空化数下水翼叶顶间隙区域漩涡空化流动的发展变化。试验在闭式空化水洞中进行,采用高速全流场显示技术对空化流场进行观测,并采用图像处理技术对试验结果进行处理,提出空化涡模型,阐述了涡空化的发展规律。研究结果表明:随着空化数的降低,叶顶间隙漩涡空化的发展主要经历如下三个阶段:(I)泄露涡内部空化初生阶段:在水翼中部附近产生游离状空化,向下游运动并迅速溃灭消失。(II)叶顶间隙内部附着空化发展阶段:涡空化逐渐发展并向水翼尾缘延伸,空化涡带呈螺旋状非轴对称旋转;叶顶位置压力面中部附近开始出现片状附着型空化,并体现出强烈的非定常特性。(III)射流剪切层内部空化形成阶段:涡空化延伸至水翼下游;叶顶附着空化充分发展,充满间隙并形成射流剪切层空化,和空化涡带共同形成三角状空化结构。