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。     

推力鳍对吊舱推进器水动力性能的影响

考虑利用螺旋桨旋转尾流能量以及提高航向稳定性,提出一种带推力鳍的吊舱推进器,采用CFD方法计算其不同进速下的推力系数、转矩系数以及侧向力,并与常规吊舱推进器水动力性能进行了比较。结果表明,加推力鳍后推进效率最大提高达1.6%,航向稳定性也明显改善,鳍的存在有效分割了螺旋桨旋转尾流,引起诱导速度及舱体压力的变化。     

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。     

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.     

基于MRF方法和滑移网格的螺旋桨水动力性能研究

本文基于计算流体力学(CFD)方法,对多重参考系模型(MRF)及滑移网格模型(SM)在计算螺旋桨水动力性能时的差异进行了探讨。将以上两种模型应用到4381螺旋桨的水动力性能计算中,首先将计算得到的推力系数及转矩系数与试验数据进行了对比,考察了两种计算模型对螺旋桨的敞水性能的预测情况,并进一步对两种模型计算得到的螺旋桨盘面的速度场、桨叶的压力分布、桨后涡量云图等进行了对比分析。计算结果表明,滑移网格模型相较于多重参考系模型,对螺旋桨的推力系数的模拟结果误差更小,扭矩系数方面,两种模型的模拟结果相差不大；对于进速系数较大时,两种模型模拟得到的压力分布及速度分布较为相似,但对于高负荷情况,滑移网格模型可以更好地捕捉桨叶的压力分布及桨盘面处的速度分布情况；进速系数较小时,多重参考系模型可以模拟出涡结构的发散现象,而滑移网格模型可以更好的在高进速系数情况下捕捉到梢涡结构。     

船舶螺旋桨水动力性能数值分析

为获取船舶螺旋桨的水动力性能，采用多参考系模型（Multi-moving Reference Frame，MRF）法，运用重正化群（Renormalization Group，RNG）k-ε湍流模型计算定常条件下的螺旋桨水动力性能，研究不同进速比与不同盘面比条件下的螺旋桨水动力性能，分析不同进速条件下的螺旋桨推力与扭矩等水动力参数变化特性。结果表明：随着进速比的增大，螺旋桨的推力与扭矩呈现下降趋势；在盘面比由0.45增大至0.55时，螺旋桨的推力与扭矩随着盘面比的增大而增大，但在盘面比由0.55增大至0.60时，螺旋桨的推力与扭矩减小。因此，在设计螺旋桨的过程中，需要考虑盘面比对螺旋桨水动力性能的影响。     

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。     

螺旋桨负载下的全回转电力推进器动力学特性

为研究全回转电力推进器控制系统的动力学响应特性,建立一种变频器控制异步交流电机驱动螺旋桨动力学系统的数学模型,提出一种考虑螺旋桨动态负载特性的电机转速、螺旋桨转速、转矩、推力的迭代求解方法,构建考虑螺旋桨负载下的全回转电力推进器的动力学仿真模型。通过数值仿真,分析螺旋桨进速不变和变化,以及不同期望转速下的电机及螺旋桨负载的动态响应变化过程和特点。结果表明,建立的动力学仿真模型与实际运动情况相符;推力系数和转矩系数随进速的增加而减小,转速几乎不会发生变化,推力有明显下降;期望转速越低时,异步电机转速、螺旋桨转速和输出推力上升速率越快。同时,在进速增加时,推力下降的范围越小。因此,须合理考虑进速系数对于全回转电力推进器的控制和推力分配的影响。这种考虑螺旋桨负载下的全回转电力推进器的建模方法对于全回转推进器电力控制、船舶动力定位方法和推力分配策略的研究具有一定的工程价值和指导意义。     

螺旋桨在规则波中推力和转矩变化的研究

本文叙述了敞水螺旋桨在规则波中有纵摇升沉运动情况下进行的模型试验,得到了在一定航速和不同波浪频率时螺旋桨推力和转矩随进速系数变化的性征曲线,给出了它们之间的关系式,可供初步估算。试验结果表明螺旋桨在波浪中的推力和转矩值均大于静水值。本文还利用三维 Green 函数法,以汇盘代替螺旋桨计算了桨在规则波中运动时的敞水水动力性能,并与模型试验比较,结果吻合良好。最后,计算了桨轴浸深对波浪中敞水桨推力和转矩的影响。     

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。     

大侧斜螺旋桨敞水性能分析

使用计算流体力学软件FLUENT模拟某大侧斜可调桨敞水的粘性流场,并计算其水动力性能。使用前处理软件GAMBIT建立螺旋桨实体模型并设定计算域和划分网格。选取若干进速,采用RNG模型进行计算,得到大侧斜桨的推力及其转矩,与试验结果比较分析,证明计算模型的可靠性,从而实现对螺旋桨的敞水粘性流场模拟,预报其敞水性能。     

串列螺旋桨水动力性能的数值预报

为了分析串列螺旋桨的水动力性能,本文运用计算流体动力学理论,结合雷诺时均 RANS方程和相对运动参考坐标系对其三维定常粘性流动进行数值模拟。应用 Fortran语言编制程序计算螺旋桨的型值点,并采用三次样条曲线拟合各点,建立串列桨三维模型。以某一串列螺旋桨作为研究对象,得到螺旋桨的推力系数、转矩系数以及流域内速度分布等水动力特性参数,并给出敞水性能曲线。计算结果与试验数据吻合较好,验证了数值方法的可行性和准确性。     

毂帽鳍的节能机理分析

应用计算流体力学方法（CFD）,结合 RNG湍流模型和动参考系计算模型（MRF）,对普通桨和桨+毂帽鳍的敞水水动力性能进行计算,通过对毂帽鳍及螺旋桨叶片的受力情况进行研究,结合普通桨和桨+毂帽鳍2种情况的桨后尾流场分析,结果表明,桨后毂帽鳍上产生的推力和扭矩有限,桨+毂帽鳍的节能机理主要是利用毂帽鳍削弱了毂涡,改善了桨后流场周向速度,提高了前桨的推力,从而提高了效率。     

CFD simulation of propeller and rudder performance when using additional thrust fins

To analyse a possible way to improve the propulsion performance of ships,the unstructured grid and the Reynolds Average Navier-Stokes equations were used to calculate the performance of a propeller and rudder fitted with additional thrust fins in the viscous flow field.The computational fluid dynamics software FLUENT was used to simulate the thrust and torque coefficient as a function of the advance coefficient of propeller and the thrust efficiency of additional thrust fins. The pressure and velocity flow behind the propeller was calculated. The geometrical nodes of the propeller were constituted by FORTRAN program and the NUMBS method was used to create a configuration of the propeller,which was then used by GAMMBIT to generate the calculation model. The thrust efficiency of fins was calculated as a function of the number of additional fins and the attack angles. The results of the calculations agree fairly well with experimental data,which shows that the viscous flow solution we present is useful in simulating the performance of propellers and rudders with additional fins.     

Estimation and prediction of effective inflow velocity to propeller in waves

A free running test using a container ship model clarified properties of effective inflow velocity to propellers in waves. The analysis assumes that thrust and torque vary keeping their relation to the effective inflow velocity as represented by open-water characteristics of a propeller in a steady calm water condition. Measurement in regular waves confirmed the variation of average values of the effective wake coefficient and ship speed depending on wavelength and wave encounter angle. Comparison with the longitudinal flow velocity measured at the sides of the propeller using an onboard vane-wheel current meters confirmed that one can estimate the effective inflow velocity based on thrust or torque data. Theoretical estimates in regular waves based on a strip method are provided and compared with the experimental data. A prediction model of the future inflow velocity is proposed to cope with a time delay of a propeller pitch controller for higher propeller efficiency in waves.     

船用螺旋桨桨叶应力数值计算

综合运用计算流体力学(CFD)与有限元分析(FEA)方法对船用螺旋桨桨叶应力进行数值模拟和分析。采用CFD方法对设计工况与非设计工况的敞水特性进行数值模拟;将CFD数值模拟所得的空间水动力作为外部载荷,采用有限元方法对桨叶应力进行计算分析。以5叶侧斜桨为算例,得到的推力系数、转矩系数与敞水试验值具有较好的一致性,得到的桨叶应力结果与理论分析相吻合,本方法可对桨叶应力进行准确的数值预报。     

冰阻塞参数对螺旋桨水动力性能影响试验研究

针对冰水混合环境下冰阻塞逼近效应对螺旋桨水动力性能影响,在空泡水筒开展了均流和冰阻塞条件下的螺旋桨模型水动力性能试验,测试了冰桨轴向、垂向间距等冰阻塞参数对不同运行工况的螺旋桨模型水动力性能影响。试验结果表明,冰阻塞物一方面改变流场特征直接影响螺旋桨模型推力和扭矩,另一方面改变桨叶的空泡特性进而影响水动力性能。在无空化状态,随着垂向和轴向阻塞逼近程度的加深,在冰阻塞环境螺旋桨模型推力系数相比于均流可产生40%和20%的增加;而在桨叶严重空泡的重载状态,螺旋桨水动力随冰桨间距的变化不明显,桨叶的空泡效应减缓了冰阻塞效应的影响程度。