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.     

复合材料螺旋桨水动力特性的流固耦合数值模拟

为了分析复合材料螺旋桨变形对其水动力性能的影响,利用FLUENT和ANSYS结构模块建立了一种流固耦合的方法。基于此方法分析了桨叶变形对敞水曲线,桨叶附近流场及其表面压力的影响。研究结果表明,初始几何为无侧斜无纵倾的螺旋桨变形后纵倾发生改变,使推力和扭矩系数变大,且推力系数和扭矩系数的增值随进速系数减小而增大。变形后的螺旋桨桨叶表面压力增大,压力系数变化最大值可达40%,螺旋桨轴向诱导速度变化最大值可达18.7%。     

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。     

螺旋桨性能和压力分布预估方法的改进

本文提供了一个预估螺旋桨性能的升力面数值计算方法。该方法引入了一种新的螺旋桨尾涡模型,用圆锥螺旋面来模拟尾涡片的变形现象,以考虑尾流收缩等非线性影响。应用离散的涡、源奇点系作升力面数值计算.编制了螺旋桨性能及桨叶表面压力分布的计算程序。对DTNSRDC系列侧斜桨和AU型桨计算了桨叶上环量径向和弦向分布、螺旋桨敞水性能、桨叶上压力分布和桨后尾流场,并与相应的试验结果和其他方法的计算结果分别进行了比较。比较结果表明,利用本文提供的方法可望提高大侧斜螺旋桨性能的计算精度。     

复合材料螺旋桨敞水性能与结构特性研究

针对复合材料螺旋桨流固耦合效应显著的特点，本文通过CFD计算复合材料螺旋桨所受水动力载荷，应用有限元方法计算复合材料桨叶结构响应，建立双向流固耦合数值计算方法，研究不同进速系数工况下刚性和复合材料螺旋桨的水动力性能与结构特性。研究结果表明：相较于刚性螺旋桨，复合材料螺旋桨通过弯扭耦合变形实现螺距角与攻角自适应匹配，进而提高推进效率并降低功率损耗；复合材料桨叶的最大总变形和最大等效应力随来流速度的增大而减小，随旋转速度的增大而增大。基于蔡-吴准则对复合材料螺旋桨的失效行为进行判断，蔡-吴失效系数随进速系数的增大而降低，失效区域更容易出现在桨叶叶梢处。     

大侧斜螺旋桨桨叶应力分析

采用求解RANS方程的方法对某大侧斜螺旋桨敞水流场进行模拟,计算得到的推力系数与力矩系数与试验值有很好的一致性.在此基础上,将计算得到的桨叶水动力载荷、离心力载荷和重力载荷导入有限元模型,求解大侧斜螺旋桨桨叶应力场分布.根据应力场分布特点,可知:桨叶除叶根有应力集中区域外,0.5倍半径靠近随边处还存在应力集中区域;在0.5倍半径桨叶切面处,桨叶压力面应力从导边至随边递增,桨叶吸力面应力从导边至随边存在波动.     

基于PIV实验数据的螺旋桨尾涡结构分析

为了预报螺旋桨非定常水动力性能,针对大量的螺旋桨尾流场二维PIV试验数据,分析了尾流中尾涡片经过区域速度的分布情况,分析了螺旋桨尾涡结构。获得了速度亏损、涡片分层等诸多尾流特征,获得了螺旋桨尾涡静态结构特征以及该结构特征在尾流中的演化。文中分析所获得的定量信息可以为螺旋桨设计以及螺旋桨非定常水动力性能预报提供帮助。     

螺旋桨设计参数对桨叶片空泡性能的影响分析

文章基于扰动速度势面元法建立了在均流条件下螺旋桨桨叶片空泡数值预报方法,空泡模型采用压力恢复闭合模型。通过对5600TEU集装箱船螺旋桨空泡的数值预报,以及与试验结果的比较,验证了该方法的可行性。该方法能够较为快速准确地预报螺旋桨桨叶片空泡,可用于分析参数对螺旋桨空泡性能的影响,为抑制螺旋桨空化设计提供基础。在此基础上重点分析了桨叶侧斜、纵倾以及桨叶剖面型式对螺旋桨空泡性能的影响,计算表明加大侧斜能够减少空泡面积,空泡向外半径偏移;桨叶剖面的设计对空泡性能影响较大,优化设计桨叶剖面可以有效减少空泡面积,提高螺旋桨抗空化能力;纵倾向压力面弯曲的分布形式可以改善梢部的压力分布,减少叶梢附近空泡长度,从而可望减少由空泡引起的脉动压力。     

水下潜器系统导管螺旋桨水动力特性及周围流场分布预报与分析

运用计算流体力学方法对水下潜器系统中导管螺旋桨在水下潜器转艏运动中螺旋桨周围的水动力现象进行观察,对在这样的工况下导管螺旋桨周围流场特征、进速、诱导速度、推力沿盘面和桨叶径向的分布,以及螺旋桨所发出的推力与螺旋桨周围流场之间的关系进行观察。计算结果表明:在一定的螺旋桨转速条件下,进速越小,螺旋桨所发出的推力也越大;由于导管出口处激发出的梢泄涡作用,导致盘面后叶梢附近轴向诱导速度降低、压力增大,该处叶面与叶背之间的压差也随之增大;螺旋桨的推力沿桨叶径向的分布呈现出半径越大,所产生的推力也越大的特点。     

叶梢间隙和尖角对导管桨敞水性能的影响

针对叶梢间隙、叶梢尖角对导管螺旋桨Ka4-55+NO.19水动力性的影响问题,采用CFD方法进行模拟分析,对比不同湍流模型数值计算结果并分析螺旋桨表面的压力、速度分布情况;针对不同的叶梢间隙和尖角切割半径分别进行数值模拟计算。结果表明,湍流模型SST k-ω的数值计算精度较高;导管螺旋桨设计时,为满足工艺、结构要求可适当增大叶梢间隙;为减小桨叶受损概率和降低空泡,对叶梢尖角进行倒圆处理,其敞水性能的损失通过增大螺距比来弥补。     

双级轴向旋流非预混燃烧和流动特性分析

本文对双级轴向旋流非预混燃烧器进行了研究,应用CFD数值模拟,探索一级旋流器叶片安装角度和文氏管扩张角的角度变化对燃烧特性和温度场以及流动场的影响规律。研究结果表明：文氏管扩张角依次增大过程中,燃烧室内中心回流区中心前移,旋转射流径向扩张角增大;CH4的浓度沿径向分布更加均匀,降低了燃烧室内最高温度。此外在五种不同文氏管角度和一级旋流器叶片安装角度的结构条件下燃烧室中外回流区域温度均低于内回流区域温度。在一级旋流器叶片安装角为55°、二级旋流器叶片安装角为35°时,燃烧器出现回火现象。     

拖式吊舱推进器的非定常水动力性能

应用升力面理论涡格法和面元法,建立了拖式吊舱推进器非定常水动力性能的数值计算方法。螺旋桨桨叶采用升力面理论涡格法计算,吊舱舱体及支架采用HESS-SMITH面元法计算,螺旋桨与吊舱及支架之间的相互影响通过迭代计算来处理。针对拖式吊舱推进器,通过系统的计算和分析,研究了螺旋桨负荷、吊舱和支架诱导速度各分量以及标称与实效诱导速度对其水动力性能的影响。研究表明,就吊舱及支架的实效诱导速度而言,轴向及周向诱导速度主要由支架引起,径向诱导速度主要由吊舱舱体引起。当考察吊舱推进器的定常水动力性能时,可略去吊舱诱导速度的径向及周向分量;考察非定常性能时,可略去径向分量,但应考虑周向分量的影响。以吊舱及支架的标称诱导速度作为进流,将导致非定常推力、扭矩的平均值降低,脉动量幅值减小,因此,虽然标称诱导速度容易得到,但据此进行吊舱推进器的性能预报或设计都会引起一定的误差。非定常水动力的脉动幅值取决于船尾伴流与吊舱诱导速度的相对比例,略去吊舱诱导速度会导致桨叶非定常力的变化特征发生较大变化。     

切向单双入口旋流器油-水两相分离流场及特性研究

运用雷诺应力模型（RSM）及两相流 MIXTURE 混合模型和 SIMPLEC 算法对切向单、双入口旋流器内的流场进行模拟分析。采用作图法描述了锥段中间截面处的切向速度、径向速度、湍动能及湍能耗散率,使内部复杂旋流流场的分析得以简化。模拟结果表明：单入口旋流器内流场具有不对称性,呈现偏心结构,双入口旋流器流场具有较好的对称性;油-水分离时,切向双入口旋流器中的分离效率为96%,高于单入口旋流器的94%,但同时增大了能量消耗。实验测试结果显示：流量为3 m3/ h 时的实际分离效率为90%,与模拟结果的平均误差为5%,处理流量相同时,采用切向双入口旋流器更能提高分离效率。     

水力旋流器油-水分离性能数值模拟

本文对两种不同入口型式的水力旋流器的流场进行了数值模拟,湍流模型采用雷诺应力模型,并结合油-水两相流MIXTURE混合模型进行分析,得出：单入口旋流器流场切向速度、轴向速度呈偏心分布,而切向双入口型式的旋流器流场分布对称性明显优于单入口型式;切向双入口旋流器在油-水两相分离时,油相浓度沿着径向方向变化率更大,且更易于向中心区汇聚,利于分离,分离效率要高于单入口旋流器;实验结果证明了模拟结果的正确性。     

导管桨方位推进器无空化噪声数值预报研究

为了准确计算导管桨方位推进器水下辐射噪声,文章以非均匀进流条件下实尺度导管桨方位推进器为研究对象,采用扇声源方法结合边界元方法对导管桨方位推进器无空化噪声进行了数值预报,并分析了导管桨方位推进器不同部件噪声对总噪声的贡献。结果表明:壁面脉动压力幅值最强位置主要集中在桨叶的导边以及导管内壁面靠近桨叶叶梢的部分;径向测点声源级最大值对应的频率为叶频,轴向测点噪声在三倍叶频处声源级最大;静止部件噪声是径向测点噪声的主要贡献者,旋转部件噪声是轴向测点噪声的主要贡献者;导管桨方位推进器总噪声对应的宽带声源级指向性呈椭圆形;采用扇声源方法结合边界元方法能够预报导管桨方位推进器无空化噪声,为导管桨方位推进器的噪声性能评估提供一个新方法。     

叶片不同弯折角对高速斜流风机气动性能的影响

叶片弯折角作为风机的重要设计参数,能否合理选择弯折角对风机整体性能影响明显。针对8°、18°、28°、38°、48°5种不同叶型弯折角进行CFD数值模拟,研究表明:弯折角增大,最高效率点向大流量工况偏移;当弯折角超过一定值后,流道扩压度过大,小流量工况流动分离明显,压力迅速下降,风机高效区范围变窄。弯折角变化对效率影响不大,但弯折角变小则压力降低。内部流场分析表明,弯折角过小将不利于叶片加载,弯折角过大则有利于高效工况区间的拓宽。     

三维竖轴潮流水轮机水动力性能研究

竖轴水轮机作为潮流能转换为电能的核心装置,其水动力性能的优劣将会直接影响到整体发电系统的效率。为了研究大型竖轴水轮机叶片安装角对水轮机水动力性能的影响,基于多参考系模型(MRF),采用Fluent软件对流场中的模型进行3D数值模拟。在转速和来流速度保持不变,改变安装角时,分析同种翼型5个不同安装角叶片对潮流能水轮机的水动力性能的影响。同时分析在同一安装角和旋转速度条件下,不同来流速度对水轮机水动力性能的影响。结果表明,叶片安装角对竖轴潮流水轮机的能量利用率影响较大,来流速度对水轮机叶片表面的静压力和输出功率具有一定的影响。研究结果对今后竖轴水轮机的设计和生产具有借鉴意义。     

半开式径向叶轮上游预旋流动研究

叶轮进口上游的预旋流动是影响流体机械水力及空化性能的重要因素,主要采用粒子成像测速（PIV）技术对半开式径向叶轮上游的预旋流动进行试验研究。通过对比不同转速和流量工况下的PIV试验结果,发现在叶轮上游吸入管内均存在与叶轮旋转方向一致的预旋流动,且偏离设计工况越远、距离叶轮越近、其预旋速度相应也越大。同时,叶轮旋转的影响还可通过流道向上游传播,继而在吸入管内诱导产生涡量场。因此,有必要基于RANS方程组及RNG k-ε湍流模型进行叶轮全流道三维湍流流场的数值模拟。结合试验和数值模拟的结果,可发现吸入管内部预旋流动主要为沿旋转方向的周向流动,而沿半径方向的径向流动很小,且径向速度在数值上要比周向速度小一个量级。