导管式推进器非定常性能数值计算方法研究

基于滑移网格方法,采用SST k-ω湍流模型研究不同网格划分方式对带前置定子导管式推进器非定常性能的研究。首先基于相对参考坐标系法及滑移网格方法分别对推进器在定常与非定常下的性能进行数值预报,并与试验结果相比验证计算方法的可靠性。基于该方法研究整体网格划分方式与周期性网格对推力系数、扭矩系数与推进器各个方向上的非定常脉动力的影响。研究结果为进一步研究推进器非定常性能提供了参考。     

船舶推进器低频宽带非定常力试验研究

低频宽带力是船舶推进器非定常力的重要组成部分,一方面它会直接辐射引起低频段较高的噪声,另一方面还会通过轴系传递到船体,引起船体振动并辐射噪声,因而对其研究具有重要意义.本文利用试验手段对船舶推进器低频宽带非定常力进行了系列研究,利用自主研制的非定常力动力仪,在大型循环水槽不同网格模拟伴流场中对不同叶数、不同材料推进器模型进行了低频宽带力测量,得到了低频宽带力的典型频谱特征规律,以及宽带力随速度、湍流参数、材料、叶数变化的定量关系.研究成果可为船舶推进器低频宽带力的理论预报方法提供试验验证数据,同时为宽带力的频谱特征规律分析提供了试验支撑.     

动网格方法在螺旋桨非定常轴承力数值计算中的应用

为了探究螺旋桨轴承力的非定常变化特性,研究了动网格(DM)方法在螺旋桨非定常轴承力(UBF)数值计算中的适用性问题。首先,通过3套不同质量网格的数值计算比较,进行网格无关性检验,选出合适的计算网格。进一步采用所选网格DM数值模拟,并将结果与滑移网格(SM)方法、势流(PM)方法及试验方法得到的结果进行对比。分析结果显示了DM方法得到的螺旋桨UBF结果与SM方法以及试验的结果吻合较好,且优于PM方法。同时,DM方法与SM方法得到的流场分布也几乎一致。研究表明:DM方法应用于螺旋桨UBF数值计算是可行的。     

粘性流场中吊舱推进器水动力性能数值研究

应用滑移网格技术对粘性流场中吊舱推进器的水动力性能进行了数值模拟,成功预报了吊舱推进器在粘性流场中的敞水性能,和试验结果相比,推力系数最大偏差为2.9%,扭矩系数最大偏差为0.8%。考察了吊舱推进器各部件及周围的流动特征,包括压力分布、速度矢量分布、流线及涡的形态等,为吊舱推进器各部件的优化设计以及吊舱推进器在工程上的应用提供了详细的流场信息。     

吊舱式CRP推进器水动力性能数值模拟

建立吊舱式CRP推进器数值模型,结合RANS方程和SSTk-ω湍流模型,运用滑移网格方法对吊舱式CRP推进器在均匀流场中水动力性能进行非定常数值预报。将数值预报所得的敞水性能结果与在真实空泡水洞内利用吊舱动力仪及长轴动力仪对吊舱式CRP推进器进行敞水试验得到的试验数据进行比较;同时得到了吊舱式CRP推进器前后桨叶面及叶背压力系数分布与前后桨及吊舱的非定常性能,将计算结果和不附带吊舱相同对转桨计算结果进行比较分析。结果表明,本文所用数值计算方法对吊舱式CRP推进器水动力性能的预报具有较高的可信度,能达到工程应用的要求。     

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。     

全方向推进器非定常水动力性能的面元预报方法

研究了全方向推进器非定常水动力性能的面元预报方法,基于螺旋桨面元法建立了全方向推进器的非定常水动力性能计算的数学模型,对全方向推进器的非定常水动力性能进行了数值预报。采用了关于扰动速度势的基本积分微分方程,并采用双曲面元以消除面元间的缝隙。用Newton-Raphson迭代过程在桨叶随边满足压力Kutta条件。在计算面元的影响系数时,应用Morino导出的解析计算公式加快了数值计算的速度。为避免数值求导中的奇异性,用Yanagizawa方法求得物体表面上的速度分布。本文计算结果与日本水池模型试验结果、升力线方法计算结果及升力面方法计算结果进行了对比。     

无人艇集成电机推进器设计及流体动力数值仿真

为了给现有水面无人艇提供可靠和具有经济性的动力来源,设计一种集成电机推进器来替代传统推进器。该推进器采用永磁无刷直流电机设计,是吊舱推进器和导管螺旋桨的集合。分别采用Ansoft Maxwell上的RMxprt模块对电机进行参数化设计,通过移动参考系法(MRF)和滑移网格法(RBM)对集成电机推进器的流场进行仿真。计算结果表明,采用多极数和多槽数电机设计的有桨毂型集成电机推进器具有更低成本和可行性;由于其不存在叶梢间隙,相比于采用相同螺旋桨的导管桨轴向诱导速度偏低,推力和效率不如导管桨。     

基于RANS方法的导管推进器梢隙流动数值模拟

以导管推进器为研究对象,采用雷诺时均纳维斯托克斯(RANS)方法对其梢隙流动进行数值模拟研究.通过对网格类型、湍流模型的适用性研究以及对梢部流场的研究探讨,初步建立了基于RANS梢隙流动的数值模拟方法;数值计算结果与实验结果吻合较好.对比分析发现,结构化网格与非结构化网格相比能捕捉到梢隙流动中更加细节的流场信息,如壁面边界层流动等,更适合于梢隙流动的数值模拟.3 种湍流模型SST k - ω,RNG k - ε 及RSM 的计算结果基本一致,都能有效模拟梢隙流动.通过间隙区域流场分析发现,梢隙流动的驱动力主要是叶面与叶背之间的压差,受壁面边界层流动的影响.流体进入间隙时流动分离形成间隙分离涡,间隙泄漏流穿过间隙与吸力面侧流体相互作用,卷起形成梢隙涡,在约37.5%弦长位置处形成并附着在桨叶壁面发展,大约在75%弦长位置与桨叶分离进入尾流场中.研究获得了梢隙涡的起始、发展、脱落的变化过程.

     

吊舱推进器定常水动力性能计算

采用FLUENT软件进行拖式吊舱推进器水动力性能的计算,将整体计算域划分为三个区域进行从而达到合理减少计算网格的目的。对于吊舱推进器的整体计算由于涉及到转子/定子物体的相互干扰问题,文中在模拟相互干扰平均效果的定常情况计算中,采用混合面模型进行。对计算方法及边界条件的设置进行了详细介绍。讨论了两种壁面函数对计算结果的影响。计算了不同进速系数下吊舱推进器的推力系数、扭矩系数。采用四套网格进行了吊舱推进器水动力性能计算的比较分析,给出了详细的计算网格参数。分析了计算网格数对吊舱推进器理论预报精度的影响。     

基于RANS方程的对拍翼推进器推进性能分析

文章基于RANS方程,应用动网格技术,数值计算分析了一种基于地效应原理的对拍翼推进器的推进性能,探讨了来流速度,拍动频率、振幅对推进性能的影响。计算结果表明拍动频率越高、拍动振幅越大则推进器的推力越大,而推进效率则会随来流速度以及拍动振幅的增大而呈现先增大后减小的趋势;同时对比分析了双翼对拍与单翼拍动产生的推力和推进效率;这种推进器构造简单,仅通过简单的相对拍动就可产生垂直于机翼轴向的推力,通过机翼的旋转就可产生任意方向的推力,能够满足水下机器人做六自由度运动的推力需求。     

用基于速度势的面元法预估导管桨的非定常性能

本文提供了一个计算导管螺旋桨的定常及非定常性能的基于速度势的非定常面元法,桨和导管的相互影响是通过在时域范围内迭代计算处理.关于桨泄出涡与导管泄出涡之间的非定常干扰在时域内匹配,本文推荐采用考虑它们非定常影响的简化处理方法,以减少计算时间,提高计算效率.算例计算结果表明,本方法可以有效地应用于导管桨的定常及非定常性能的预估.     

基于 CFD预报双桨式吊舱推进器水动力性能

基于粘性流体理论,采用CFD技术数值预报双桨式吊舱推进器的敞水水动力性能。通过对某单桨吊舱推进器进行数值模拟,并与实验值进行比较,验证数值计算方法的准确性。最后数值计算了双桨式吊舱推进器在不同偏转角时的水动力性能,通过数值计算、结果比较和特性分析,计算结果呈现出一定的规律性,达到了给出双桨式全回转吊舱推进器数值预报的方法和一般性规律的目的,可以对此类推进器水动力性能的预报提供参考。     

带有推力鳍的吊舱推进器水动力性能研究

本文使用FLUENT软件对拖式吊舱推进器的水动力性能进行分析。由于涉及到螺旋桨、桨毂和舱体、支架的相互干扰问题,本文采用多参考系模型来进行相互干扰平均效果的计算。本文计算不同进速系数下普通吊舱推进器的推力系数、扭矩系数,与实验数据进行对比,并绘制敞水性能曲线。同时提出了几种带有推力鳍的吊舱推进器,对其进行了水动力性能计算,并与普通吊舱推进器的水动力性能进行比较,本文最后分析推力鳍对吊舱推进器水动力性能的影响。     

鳍对拖式吊舱推进器水动力性能的影响

为研究鳍的影响,建立了吊舱推进器的水动力性能的计算模型.计算了吊舱推进器安装和不安装鳍时的水动力性能,螺旋桨与吊舱及鳍之间的相互影响通过迭代计算加以考虑.采用基于速度势的基本积分微分方程,并采用双曲面元以消除面元间的间隙.采用Newton-Raphson迭代求解压力分布使得桨叶的随边满足压力库塔条件,用柳泽的方法求得物体表面的速度分布以避免数值求导的奇异性.无鳍.单鳍和双鳍的吊舱推进器水动力性能计算结果表明,附加鳍时吊舱推进器的螺旋桨推力增加,由于鳍上产生推力导致吊舱阻力减小.附加双鳍时的吊舱推进器水动力性能最好,附加单鳍时次之,无鳍时最低.     

组合式推进器干扰特性敞水试验评估分析新方法研究

以由导管、前置定子和转子构成的组合推进器敞水性能为研究对象,运用因子分析理论和分解试验方法,分析并建立了组合推进器各部件水动力相互干扰特征和敞水效率的表达与测量方法.针对CSSRC若干现存试验方案的试验数据,采用回归分析和方差分析方法,分析并建立了各种敞水性能评价指标与设计参数之间的相关关系,明确了对转子敞水效率有显著影响的设计参数仅仅是其负荷系数,而对相互干扰综合评价指标影响显著的仅仅是三个几何参数:导管出口面积比、前置定子特征安装角和转子特征螺距角.对典型情况下的敏感度和极值进行了分析,最终推荐该类组合推进器敞水性能的主参数优化策略为:先优化各部件的推力负荷分配,再优化部件之间的相互干扰特性.计算结果表明,与单独螺旋桨推进器相比,在同样的推力负荷下,干扰特性优化可使组合推进器敞水效率大幅度地提高.     

吊舱推进器关键部件研究

在阅读大量国内外吊舱推进器的文献和报道的基础上,通过分析、归纳和总结,对吊舱推进器的关键结构展开了研究,对吊舱推进器的优缺点进行了分析。这篇文章的研究内容对国内的吊舱推进器研发、设计、维护、修理具有一定启发和指导作用。     

On the axial force induced on a duct by a propulsor

The axial force induced on a duct (duct thrust) which surrounds a propulsor is, by means of an energy conservation argument, expressed in terms of the thrust and power of the propulsor and the kinetic energy losses per unit of time of the propulsor and the duct. Emphasis is put on the linear theory of an axisymmetric ducted actuator disk, where it is shown that the work done by the duct thrust is equal to the extra work done by the actuator disk when it is surrounded by the duct. This simplified model gives more insight into the interaction between the propeller and the duct and on the limits of linearization.