螺旋桨梢涡流场的DES模拟（英文）

文章应用分离涡模型(DES)对螺旋桨尾流中梢涡流场分布进行了数值研究。为准确模拟螺旋桨梢涡流场的信息,应用全六面体网格对螺旋桨计算域进行网格划分,通过迭代计算确定螺旋桨梢涡涡核的位置。为避免数值离散误差,对梢涡区域进行了网格加密处理。为了研究螺旋桨梢涡空间形态,文中采用涡核识别的"Q准则",对螺旋桨梢涡等值面进行定义。计算结果表明,该文建立的尾流中梢涡流场分布数值模拟方法能够准确预报出螺旋桨梢涡流场的分布及涡核形状,与实验测量结果相符。     

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。     

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。     

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.     

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.     

基于LES的螺旋桨精细流场特性分析与研究

为了研究大侧斜螺旋桨的精细流场,采用有限体积法结合大涡模拟(LES)模型,对E1619螺旋桨的速度场、压力场、涡量场和湍动能场进行不同程度的分析。模拟结果表明：大涡模拟很好地捕捉了尾流涡结构,梢涡互感合并的本质是相邻的下游梢涡将上游梢涡推向尾流轴向速度较高的内半径区域,梢涡与相邻上游梢涡的随边涡符号相同,导致他们相互吸引;近场轮毂涡比梢涡强度更高是因为轮毂涡包含了叶根涡,且其衰减速度更快;外半径湍动能极大值在梢涡处,且梢涡的不稳定现象极大地影响了外半径湍动能的变化,内半径湍动能先减小后增大,其增大原因是梢涡失稳导致轮毂涡振荡产生湍流。     

DTMB P4119桨尾流场LDV测试

采用LDV测速系统,在大型空泡水筒中对均匀来流下的螺旋桨尾流场进行了测量。把测试点数据集合在一个圆盘面上进行宏观显示。试验测试了尾流场中尾涡结构,获得了尾流场中轴向、径向速度沿周向分布的周期性规律,分析了近梢部流场速度分布的双突跳结构。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。     

指挥台围壳对潜艇尾流影响的计算研究

基于RANS方程利用SSTκ-ω湍流模型计算潜艇尾流场.把围壳划分为进流段与去流段两部分,设计三种新型围壳,并进行数值模拟,采用系列分析方法对尾流品质进行评价.对接合部涡与围壳尾流沿艇体的发展进行了分析.研究表明:光顺过渡的前缘型式较为合理地改变了涡量在桨盘面的分布,有助于改善尾流,光顺过渡的顶部型线可有效抑制梢涡的发生.     

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。     

基于凹槽结构的泵喷推进器梢涡控制效果及计算方法

为了降低泵喷推进器的辐射噪声,借鉴航空发动机"处理机匣"技术,在泵喷推进器导管内壁上开设凹槽结构,达到降低泵喷推进器转子梢涡强度、抑制梢涡空化的目的。针对某型泵喷推进器,采用结构化网格,对比分析了无凹槽和有凹槽喷泵喷推进器的梢涡强度,结果显示,导管凹槽能够有效削弱梢涡强度;分析了湍流模型、网格数量和时间步长对计算结果的影响,初步建立了导管凹槽梢涡抑制效果的数值计算方法,研究结果为泵喷推进器梢涡控制提供了新的技术路径和技术支撑。     

导管剖面设计对导管螺旋桨水动力特性的影响

运用计算流体的方法对导管螺旋桨的叶梢漩涡、螺旋桨周围流场和推力特性进行计算,并且通过组合不同类型的导管对比分析了梢涡的改善方法和推力性能的优化方案.计算结果表明:调整导管螺旋桨中的导管迎角,并延长导管有助于改善导管螺旋桨梢涡的产生和改善桨毂后的尾流,有利于提高导管螺旋桨的稳定性;增大导管迎角并延长导管能够使桨叶上荷载和推力分布更加均匀;在进速系数J=0.4左右,导管螺旋桨性能更优,也更高效.本文结论有助于设计出性能优良的导管螺旋桨.     

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。     

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。     

Investigation on the vortex structure of propeller wake influenced by loading on the blade

The vortex structure of the wake behind a marine propeller was investigated in terms of loading variation by using particle image velocimetry. One hundred and fifty instantaneous velocity fields were ensemble averaged to study the spatial evolution of the wake and the behavior of the tip vortices in the region ranging from the trailing edge to one propeller diameter downstream. The trailing vorticity was found to be related to the radial velocity jump, and the viscous wake was affected by the boundary layers developed on the blade surfaces. A vortex identification method using the swirling strength was employed to extract the location of the tip vortex. The loading on the blade made a clear difference to the contraction angles. Slipstream contraction occurred in the very near wake region, and unstable oscillation occurred because of reduced interaction between the tip vortex and the wake sheet behind the maximum contraction point for each loading condition. The maximum tangential velocity around the tip vortex center revealed the average radius of its core, which was used for calculating the vortex strength. Additionally, variation of the average radius of tip vortices with the change of blade loading was related to vortex tube stretching in the wake region. The nearly constant vortex strength continued up to one diameter downstream for light loading and design loading conditions.     

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     

二甲醚闪急沸腾喷雾的实验研究(英文)

The high-speed digital imaging technique is applied to observe the developing process of flash boiling spray of dimethyl ether at low ambient pressure, and the effects of nozzle opening pressure and nozzle hole diameter on the spray shape, spray tip penetration and spray angle during the injection are investigated. The experimental results show that the time when the vortex ring structure of flash boiling spray forms and its developing process are determined by the combined action of the bubble growth and breakup in the spray and the air drag on the leading end of spray; with the enhancement of nozzle opening pressure, the spray tip penetration increases and the spray angle decreases. The influence of nozzle hole diameter on the spray tip penetration is relatively complicated, the spray tip penetration is longer with a smaller nozzle hole diameter at the early stage of injection, while the situation is just opposite at the later stage of injection. This paper establishes that the variation of spray angle is consistent with that of nozzle hole diameter.     

基于CFD方法分析端板对摆线推进器性能的影响

文章基于FLUENT求解器,对摆线推进器叶稍末端加装端板前后水动力性能变化进行研究。根据摆线推进器工作中的旋转规律,编写相应UDF控制程序,运用滑移网格技术进行数值模拟。采用结构网格与非结构网格相结合的方式对模型进行计算,分析水动力性能及叶稍涡的变化。计算结果表明,摆线推进器加装端板较未加前的水动力性能更优、叶稍涡强度得到减弱和转矩振荡系数减小。因此在摆线推进器叶片末端加装端板,可提高推进器性能,工作更具安全、稳定性。