Practically applicable devices for blocking the gap flow of a horn rudder to reduce rudder cavitation and their verification through numerical simulations

Rudder cavitation causes serious damage to the rudder and affects the safety and cost-effectiveness of a ship. In recent applications, a semicircular prismatic bar protruding beyond the concave surface of the horn facing the gap, located along the center-plane of the rudder, has been used to lessen the gap flow between the horn and the movable portion of the rudder system. Previous numerical studies with this single bar indicate that it can noticeably reduce rudder cavitation. In the present study, a pair of bars for blocking the vertical gaps, which are attached symmetrically to the center-plane on opposite convex surfaces of the movable portion, is suggested for circumventing the difficulties that arise in the practical application of single centre bars. Placed near the outer edges of the gap, the bars are are easily accessible at the maximum rudder angle to allow simple installation during routine ship maintenance. An additional blocking disk is inserted on top of the pintle block, blocking the horizontal gaps. Three-dimensional computations are conducted with these combined devices and the results show that the devices are remarkably efficacious in reducing rudder gap cavitation.     

Numerical study on the gap flow of a semi-spade rudder to reduce gap cavitation

The flow around the gap of a semi-spade rudder was simulated as part of an effort to minimize gap cavitation. Simulations were performed for various devices aimed at controlling the gap flow in two-dimensional and three-dimensional domains using the Reynolds-averaged Navier–Stokes equations. A significant difference in the pressure field near the gap in two- and three-dimensional computations was found. In particular, the pressure field of the gap, where the local flow is dominant, and that of the main flow from the propeller were compared. Finally, a remedy for the gap cavitation that occurs between the horn and the rudder was introduced.     

实船舵空化现象试验观察

空化是高航速下水面舰船螺旋桨及舵等附体上常见的现象,空化的产生会带来振动、噪声和空蚀等一系列问题,直接影响舰船的舒适性和局部结构的安全性.而由于国内有关实尺度舵空化数据的缺乏,导致人们对于实船舵空化的状况仍知之甚少.本文通过试验方法观察了某一实船舵在一定航速、一定舵角下的空化状况,获得了实船舵空化出现的位置及程度,为实尺度舵空化问题的认识和优化提供了一定参考.     

基于CFD方法的6500 TEU集装箱船舵空泡腐蚀数值模拟研究

  目的  为深入研究舵空化时的精细流场及其非定常水动力性能的相关规律,  方法  针对某型船的桨、舵模型进行建模,采用结构化网格、SST k-ω湍流模型和流体体积（VOF）方法对舵空泡进行计算。针对舵空泡问题进行实船观测试验,将舵空泡的计算结果与实船舵空泡的观测结果进行对比,验证数值方法的可靠性。对舵空泡的周期性变化进行探讨和分析,并基于空化和非空化2种状态对3种舵角下的舵空泡进行计算。  结果  结果显示,当空化范围较小时,空化对舵力时均值的影响较小,随着空化范围的增加,空化对舵力时均值的影响明显变大,尤其是舵效显著降低;一旦发生空化,舵非定常力的脉动幅值将大幅增加,且空化范围越大,舵非定常力的脉动幅值越大。  结论  研究结果可为评估空化发生后舵的水动力性能及舵的优化设计提供技术支撑。     

回转体空泡绕流现象的数值模拟

利用FLUENT 6.0流体动力学计算软件对轴对称回转体的自然空化现象进行了数值模拟,得到了不同头型和不同空化数下的回转体周围空泡绕流流场和体积分数分布.计算结果与其他研究人员的计算与试验结果比较吻合,说明利用FLUENT 6.0软件可以较好地模拟空泡绕流现象,能够正确反映空泡外形随空化数变化的规律,并且能够较准确地捕捉到空泡尾端回射流现象.     

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。     

自然空化流动数值模拟中参数取值影响的研究

探索了应用商业软件Fluent6.2进行自然空化计算的方法.通过设定不同气核质量分数对半球头回转体的自然局部空化作了模拟,研究了气核对自然空化计算结果的影响.通过设定边界湍流参数计算了平头回转体的自然超空泡,研究了湍流参数设定对自然空化计算结果的影响.通过对圆盘空化器的超空泡计算,得出结论:气核含量主要影响超空泡尾部形态,湍流参数主要影响空泡尺度.多个算例的计算结果与相应的实验结果以及经验公式计算结果进行了比较,符合良好.     

某伴流补偿导管对螺旋桨空泡及 空泡剥蚀性能影响研究

文章介绍了中国船舶科学研究中心大型循环水槽中开展的某散货船有、无伴流补偿导管下螺旋桨空泡、空泡剥蚀性能对比试验研究,并深入分析某伴流补偿导管对空泡形态、空泡剥蚀性能影响及导管设计过程中需注意的问题。试验结果表明:前置伴流补偿导管会增加螺旋桨表面空泡面积及空泡诱导的船体脉动压力一阶叶频分量,且不合适的伴流补偿导管安装方式会增加桨叶空泡剥蚀风险。     

喷水推进器空化监测技术研究

由于喷水推进船良好的快速性、机动性、高效率和低噪声,喷水推进技术在现代舰船上的应用越来越广泛.但喷水推进器在运行过程中容易进入空化区,影响其推进性能和使用寿命.建立空化监测系统是目前解决这一问题最有效的方法.喷水推进器的空化特性同螺旋桨的有较大差异,目前尚未进行深入的研究.本文分析了喷水推进器的空化特性,阐述了其空化监测的机理,建立了空化监测系统,对喷水推进器空化监测技术进行了研究.空化监测的关键在于选择合适的空化监测参数,选取适当的测量位置,以及采用有效的信号分析处理方法来进行空化特征的提取.     

应用涡流发生器抑制联体涡空泡研究

为解决某散货船螺旋桨模型空泡试验中发现的桨一船联体涡空泡,以及由此而引起的船体强烈振动,文中通过试验进行了涡流发生器控制桨一船联体涡空泡的应用研究.研究结果表明:船体周围的流动是造成桨一船联体涡空泡的主要原因,通过改变桨的设计不能根本解决问题;通过安装适当的涡流发生器能够成功抑制桨一船联体涡空泡的产生,并使螺旋桨空泡诱导的船体脉动压力减小1/2～1/3左右.     

Study on the cavitation characteristics of cupped foils

The effects of cupping on a 0.7 radius foil section with a maximum thickness ratio of 3.5% of the Gawn-Burrill propeller series were studied both numerically and experimentally. A cupped foil increases its lift as a result of the induced camber by the cup, as the numerical results demonstrate. Also, the minimum pressure location of cupped foil moves from midchord to the cupped position near the trailing edge when the foil is in shock-free entrance. The calculated results and the tests confirm that cupped foil increases lift and may improve the cavitation performance of an underpitched propeller.     

小攻角下航行体三维非定常空泡形态理论预示方法

小攻角下水下航行体高速运动时会形成不对称、非定常空泡,空泡形态是水下流体动力及弹道设计的主要依据。该文基于空泡独立膨胀原理,考虑横流对独立空泡发展的影响,建立了带攻角状态下空泡形态理论计算模型。针对典型工况开展计算获得了航行体迎背流面空泡长度、空泡压力变化过程,并与试验数据进行比对以验证模型的合理性。     

十字舵与X舵潜艇的水动力性能数值比较

现代潜艇尾操纵面建筑形式主要选择十字舵与X舵,这2种形式的舵各有其优缺点.在以往关于这2种舵形潜艇操纵性水动力的研究中,有研究者通过编制潜艇六自由度运动仿真程序,对十字舵与X舵在水平面和垂直面的水动力性能进行了综合比较,得出X舵的水动力性能优于十字舵.本文以十字舵和X舵Suboff为研究对象,通过CFD数值方法模拟了潜艇直航运动和垂直面变攻角运动这2种具有典型代表意义的运动情况,分别计算了2种舵形潜艇的操纵性水动力,通过分析计算结果,定量地比较了在舵面积相等的情况下十字舵与X舵潜艇的水动力性能,得出与编程仿真相同的结论:X舵的水动力性能优于十字舵.     

螺旋桨叶截面空化云仿真研究

本文基于雷诺平均模拟方程(RANS方程),采用均相流空化模型和RNG k-ε湍流模型,对螺旋桨叶截面非定常空泡流动进行数值模拟。对局部层状空泡从初生、发展、断裂以及在下游高压区溃灭的周期性过程进行仿真,并将仿真结果与实验现象进行对比,对各个阶段的空化面积和空化程度进行数值统计分析。结果表明:在螺旋桨叶截面周期性云状空化流场中,90%以上高度空化区域和30%以下低度空化区域的面积变化显著,而其他空化程度的区域面积基本稳定。     

Measurement and computation of the acoustic field in a cavitation tunnel

Sound pressure distribution around a monotone sound source was measured inside a marine propeller cavitation tunnel and compared with the calculated result by a two-dimensional boundary element method. The measured sound pressure distribution showed some peaks due to the reflection effect of the tunnel test section boundary. As the frequency increased, the sound pressure distribution became more complicated, showing more peaks. The tunnel reverberant effect should be taken into account when the noise data measured in the tunnel are converted into full-scale values. In the boundary element method calculation, the boundary condition at the acrylic observation window of the tunnel was examined in detail. The calculated sound pressure distribution pattern in the tunnel transverse section agreed well with the measured distribution when a reasonable boundary condition was adopted. The boundary element method is an effective method for theoretically predicting the acoustic field inside the cavitation tunnel if the precise boundary condition is adopted.     

桨叶剖面空泡形态发展特性研究

  目的  水下翼型空泡数下降到某个临界值后,翼型前缘位置的压强会降低而发生空化。在模型试验研究中,模型尺度翼型难以满足实尺度翼型的雷诺数,使得空化起始对应的空化数发生变化。  方法  为此,以航速为24 kn的标准KCS船采用的NACA 0012型船舵作为参照,基于STAR-CCM+软件,运用SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer (S-S)空化模型对翼型空泡特性进行数值模拟。针对不同缩尺比模型,通过改变不同攻角时的翼型环境压强来计算翼型表面流场和空泡分布,得到空化起始对应的空化数,分析尺度效应对临界空化数的影响机理。  结果  结果表明,随着模型尺度的缩小,相应攻角下的翼型临界空化数也有一定程度的减小,说明雷诺数的差异会加剧尺度效应。  结论  因此,为防止尺度效应对起始空泡数的影响,模型试验中不宜选用较小尺度的翼型。     

直尾舵的水动力性能分析研究

船舶操纵性主要通过性能优良的舵保证.研究开发性能优良的舵型,改善舵的水动力性能,对提高船舶操纵性十分重要.通过研究,本文提出一种新型实用的直尾舵,它是在普通流线型舵的后缘加装一块平直的尾板而成,称之为直尾板.基于CFD软件Fluent计算了舵球舵、制流板舵、鱼尾舵和直尾舵的水动力性能系数,并对比分析了直尾舵的水动力性能优缺点.相比舵球舵和制流板舵,直尾舵的正车水动力性能有较大幅度的提高,比鱼尾舵的水动力性能略差.但是,直尾舵的倒车性能优于鱼尾舵和制流板舵.因此,直尾舵属于正车、倒车水动力综合性能最好的组合舵.     

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。     

通气空泡流中洞壁效应对空化数和压力场影响的研究

文章在均质平衡多相流模型的基础上耦合输运方程型空化模型,通过求解混合介质的RANS方程、RNG k-ε湍流输运方程以及各相的质量输运方程,采用通用CFD软件—FLUENT数值模拟了水洞中带圆盘空化器航行体模型的定常通气空泡流动,研究了圆形截面闭式空泡水洞中洞壁效应对通气空化数和压力场的影响。得到的阻塞空化数线性正比于圆盘水洞直径比,且与三维圆盘自然空泡流的势流近似解基本一致,分析了洞壁效应作用下空化流场内的压力分布特点,并根据计算结果拟合了一定适用条件下通气空泡长度、最大直径和模型阻力系数的近似公式。     

空化模型在非定常空化流动计算的应用评价与分析

文章基于试验观测数据评价了Kubota与Singhal两种空化模型在非定常云状空化流动数值模拟中的应用。采用商业软件的二次开发技术将两种空化模型引入了计算软件,针对绕Clark-Y水翼的云状空化流动进行数值计算,并与水洞试验结果进行了对比。结果表明,两种空化模型计算的云状空化阶段的流场时均速度分布以及涡量分布具有明显的不同。采用Singhal空化模型可以得到和试验观测更加相近的空化旋涡区与空泡云的旋涡分离的脱落形式。