基于大涡模拟的螺旋桨毂涡结构分析与建模

为了分析螺旋桨毂涡结构和建立毂涡模型,用大涡模拟方法对敞水螺旋桨的水动力和流场进行数值计算,并通过试验模型的水动力测试和LDV流场测量进行了验证。在此基础上,通过毂涡周向平均切向速度分布特征的分析,找到了描述毂涡强度及扩散过程的控制参数,并基于Oseen涡的切向速度分布形式建立了毂涡模型。通过涡量分布及压力等值面描述了瞬态毂涡结构,发现毂涡中存在两根互相缠绕的螺旋形集中涡,且毂涡大尺度拟序结构的旋转频率明显高于螺旋桨轴频。     

基于定常RANS方法的螺旋桨毂涡结构分析

桨叶根部负荷及毂涡能量利用研究一直是螺旋桨设计研究工作的重要内容之一。为分析螺旋桨根部尾涡系结构,本文采用RANS方法对敞水螺旋桨进行定常数值模拟,通过与水动力测试及LDV流场测量数据对比验证了数值模拟的可靠性。将数值模拟结果与空泡流动显示对照,说明了毂涡是由桨毂端面发展出的轴心涡及缠绕在其表面的叶根尾涡共同构成,分析了毂涡强度与桨毂环量的关系,论述轴心涡的形成机理。     

基于RANS法毂帽鳍节能性能参数匹配研究

数值剖析毂帽鳍节能装置作用机理,研究参数性能匹配问题,应用雷诺时均法处理数值粘性绕流场,建模阶段采用FORTRAN语言编制螺旋桨毂帽鳍型值点数据处理程序以便GAMBIT前处理软件进行接口,对标准B4-40螺旋桨进行数值验证和分析比较某特种螺旋桨不同叶数参数性能数值计算结果,进而研究毂帽鳍参数匹配问题,研究不同鳍叶直径和不同安装角对桨效率变化的影响,分析压力场和尾流场的变化状况,结果表明：大小合适的鳍叶直径和合理的安装角明显提高其推进效率,具有工程实用性。     

螺旋桨轴毂复合联结结构的有限元分析

为了提高舰船推进装置的结构强度,适应航行工况下的复杂受力、振动和冲击,对船舶螺旋桨轴毂复合联结结构的分析和强化具有重要意义。本文介绍传统的渐开线花键轴毂复合联结结构,在此基础上设计一种性能更可靠、强度和刚度更高的花键-胀紧套复合联结结构,并利用有限元分析技术对该花键-胀紧套的可靠性、结构和力学性能等方面进行分析。     

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。     

基于大涡模拟的螺旋桨毂帽鳍系统精细流场数值研究

对引起螺旋桨毂帽鳍系统推进性能变化的细节及流动本质问题的研究,有助于对毂帽鳍的节能机理产生新的认识,并为改进该系统的推进性能提供新的思路。通过模型试验和大涡模拟方法对螺旋桨毂帽鳍系统进行了力的测量及精细流场的分析,从能量的角度,分析了毂帽鳍节能机理。数值模拟显示,在毂帽鳍的作用下,在紧邻桨毂后方区域的流速比无毂帽鳍时小且低速区域更广,桨毂后方流体轴向和横向动能均有所减小。由此可知,毂帽鳍通过回收一部分螺旋桨释放在尾流中的动能实现节能;在桨毂后安装一种圆锥形导流帽可避免流动分离,能进一步提高推进系统的整体效率。     

应用激光测速技术测量螺旋桨径向环量分布方法的研究

本文试图用理论分析来探索应用实验方法获得螺旋桨桨叶径向环量分布的合理性和可行性。应用激光测速仪采用两种不同的方法实现了绕螺旋桨桨叶剖面上的环量测试。并对用不同测量方法获得的桨叶径向环量分布进行比较,得到了较为满意的结果。     

应用表面涡格法的空泡螺旋桨性能分析

本文讨论了表面涡格法在船用螺旋桨局部空泡和超空泡条件下的应用。螺旋桨桨叶和空泡用桨叶表面和空泡表面上的涡格和源分布表达。该方法基于速度场和奇异要素强度的控制方程由桨叶表面和空泡表面上的两类边界条件确定。由桨叶在无空泡状态下的压力分布得到起始空泡拓展，并通过迭代过程，使得空泡表面上的每个网格满足边界条件时计算空泡形状。本方法算出的桨叶表面上的压力分布，空泡扩展和厚度的结果与实验结果和其他理论的计算结     

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。     

表面涡格法的非定常螺旋桨特性分析

本文研究了表面涡格法在不均匀流中船用螺旋桨的应用。表面涡格法是在一般涡格法的基础上通过在桨叶的上下表面分布马蹄涡和面源分布模拟绕升力包括粘笥和体积影响的流动。该方法的优点是：与其他网格法相比对尾涡和下泄涡对流不仅对定常状态而且对非定常状态都可自动地满足库塔条件。     

螺旋桨毂帽鳍节能性能的数值模拟

毂帽鳍作为一种新型的船用节能装置,合理地安排其在桨后的位置,能明显提升螺旋桨的推进效率,因此,有必要对毂帽鳍的节能效果进行研究。采用计算流体动力学方法,对毂帽鳍的敞水性能进行模拟。通过改变鳍叶在桨后的各个参数,分析其尾流的变化,以及各重要剖面处的压力分布等情况。模拟结果表明：鳍叶的不同安装角位置对桨的效率变化有明显的影响,而轴向位置的改变则对其效率的提高影响不大。通过观察尾流分布及压力分布图,可以直观地看出鳍叶的主要功效是产生与螺旋桨转向相同的扭矩,同时使尾流速度降低从而削弱乃至消除毂涡。     

基于涡格法的螺旋桨剖面拱线设计

船舶螺旋桨的叶剖面形状与其负荷形式、效率、空泡等水动力性能密切相关。剖面拱线与剖面的负荷分布有直接关系。为了设计给定负荷分布的剖面拱线,提出用升力分布定义螺旋桨剖面拱线的负荷分布,在此基础上对升力分布进行参数化表达,并进行拱线设计。拱线的设计采用Newton-Raphson迭代方法使拱线的升力分布满足给定值,拱线的性能计算采用基于薄翼理论的二维涡格法。计算表明：涡格法与Newton-Raphson迭代方法相结合能够精确并快速设计满足给定升力分布的拱线。最后,修改升力分布的部分参数,并由此设计了SJ系列拱线供剖面设计参考。     

导管空气螺旋桨的设计方法

简要介绍了导管空气螺旋桨的类型,基于动量理论、叶素理论和涡流理论阐述了加速型导管空气螺旋桨的设计方法,给出了一个基于该设计方法的设计实例,并将该设计方法的计算结果与试验结果以及其他方法的计算结果进行分析比较,计算结果与试验测量值吻合较好,进一步验证了该方法的可行性。     

低螺距可控环量螺旋桨粘性流场的数值模拟方法

本文通过求解ＲＡＮＳ方程对低螺距可控环量螺旋桨周围的粘性流场进行了三维数值模拟,在求解过程中,采用了贴体坐标与空度法相结合的方法对流场进行网格划分,采用交错网格系统,利用有限体积法来离散方程;应用二层ｋ－ε湍流模式来封闭方程组。     

螺旋桨毂帽鳍节能装置的数值评估与试验研究

对螺旋桨毂帽鳍装置的节能效果采用粘流CFD数值模拟与模型试验的方法进行了评估.利用CFD数值工具对毂帽鳍的节能机理、螺旋桨与毂帽鳍的相互作用,以及雷诺数对节能效果评估的影响进行了详细研究.研究表明,在将桨毂、毂帽鳍和桨叶看作一个系统来考虑时,才能定量评估出节能效果.毂帽鳍对整个系统总推力影响很小,对总扭矩显著减小,从而效率增加.实型尺度雷诺数下毂帽鳍计算得到的节能效果更高,这间接证实了毂帽鳍实船节能效果可能比模型试验节能效果更显著.     

紧急制动及紧急向前时螺旋桨绕流的大涡模拟

船舶在港口停泊或在过驳、动力定位作业过程中需要进行复杂的操纵,此时船舶需要在低速非设计工况下实现后退、紧急制动和紧急向前等运动。在这些低速操纵运动过程中,螺旋桨工作于四象限内,由此产生的侧向力会影响船舶的操纵性能。出于安全考虑,需要评估螺旋桨在四象限内的水动力性能。文章基于CFD方法模拟了螺旋桨在四象限内作业时的紧急制动和紧急向前工况,采取LES方法模拟了紧急制动和紧急向前时剧烈的非定常分离流动。对紧急制动工况进行了网格收敛性分析;所得到的推力和扭矩系数与现有的试验值进行了比较,分析了螺旋桨负荷对螺旋桨性能的影响。通过对桨叶表面的压力分布、一些典型平面上的速度轮廓和流线以及推力的频谱特性进行分析,展示了螺旋桨流动的机理。     

导管螺旋桨定常性能预估的基于速度势的面元法

开发了一个导管螺旋桨定常水动力性能预报的数值计算方法,其中,螺旋桨和导管均采用定常面元法,通过迭代计算考虑桨和导管的相互影响.该方法也可用于导管调距桨在不同转角时的定常性能预估.对JD7704和19a导管螺旋桨以及JD导管调距桨的计算结果表明,该方法计算精度是令人满意的.     

导管螺旋桨叶梢泄漏涡机理研究及一种推迟梢涡空化的方法

  目的  旨在研究梢隙涡（TLV）空化发展对涡核特性的影响规律。  方法  结合SST k-ω 和Zwart-Gerber-Belamri空化模型,对不同空化工况下的导管桨梢隙涡空化流场开展数值模拟研究,然后在验证数值模拟可靠性的基础上,基于汽相体积分数等值面图和Q准则,分别对梢隙涡空化发展及涡核特性演变规律展开研究。  结果  结果显示,梢隙涡空化的发展使得稳定的泄漏流空化面积不断扩大,当发展至特定工况时,梢隙涡空化会在泄漏空化的随边处发生旋拧;若空化继续发展,将对导管桨的性能产生显著影响。空化的发展使得梢隙涡逐渐远离叶片吸力面,并使涡心处的流速分布更为复杂,当空化数σ = 1.488时,空化的持续发展会显著降低梢隙涡的强度。随着梢隙涡向下游发展,梢隙涡卷吸来自壁面周向涡量的能力不断减弱,并且间隙处的湍动能会随着梢隙涡的发展逐渐输运至涡心处。  结论  研究方法和研究结果可为水力旋转机械的性能预测和梢隙涡空化的控制提供相应的理论指导。