泵喷推进器在敞水与艇后的激励力计算分析

分别建立某型号泵喷推进器与SUBOFF潜艇模型,基于雷诺平均数值方法及快速傅里叶变换方法,计算潜艇-泵喷推进器耦合模型压强分布并对比不同来流状态下叶片激励力,计算结果表明,相比敞水状态,艇后不均匀来流增强定子叶片与转子叶片干涉作用,从而显著增加定子叶片和转子叶片激励力,说明在泵喷推进器设计时需要考虑定子叶片和转子叶片动静干涉对叶频激励力的影响,有必要将定子叶片与转子叶片作为整体进行匹配设计。     

单桨、导管桨和泵喷推进器的水动力性能和流场对比研究

单桨、导管桨和泵喷推进器是水下航行器常用的3种典型推进器。论文在某型前置定子式泵喷推进器模型的基础上建立了2种新的模型，分别为只包含转子的单桨模型和包含转子、导管的导管桨模型。基于分离涡模拟方法，对这3种模型的水动力性能、流场进行了对比研究。结果表明，相对于单桨和导管桨，泵喷推进器的水动力性能有明显提高。此外，前置定子对转子叶片上的非定常载荷有较大的影响，改变了其幅值和频率特性，而导管对转子叶片上的非定常载荷影响较小。单桨和导管桨转子叶片上激振力的特征频率是转子的通过频率，而泵喷推进器转子叶片上激振力的特征频率是定子的通过频率。论文的结论对水下航行器的推进器选型和水动力性能研究有一定的工程指导意义。     

基于CFD的喷水推进器流道与喷口优化

为提高喷水推进器的水动力性能,对喷水推进器的流道与喷口进行了基于数值计算的优化研究.对一台喷水推进泵模型进行了敞水性能数值计算,验证了数值计算方法的准确性和有效性.对喷水推进器流道以及喷口进行参数化的几何重构和优化计算,考察流道与喷口参数对推进性能的影响.研究结果表明:在设计航速下,优化后的喷水推进器的转矩基本没变,推...     

后置定子泵喷推进器压力脉动特性分析

基于改进的延迟分离涡模型对后置定子泵喷推进器瞬态流场进行数值模拟,所得推力计算值与试验值最大误差为4.68%,验证数值模拟的可靠性。分析泵喷推进器近流场压力脉动时频域特性,研究多工况下后置定子表面压力系数、声压脉动时均值的分布规律。结果表明,泵喷推进器内压力脉动主要受转子影响,脉动周期与转子旋转周期一致,频域峰值出现在低频段且均为转子叶片通过频率的整数倍;后置定子平衡转子扭矩的做功区集中在定子前缘,并沿弦向贡献逐渐降低,尾缘约1.8%定子弦长位置对平衡扭矩近乎无贡献;前缘是定子噪声的主要贡献源,在高进速系数下,尾缘表现为定子噪声的次要贡献源,随着进速系数的降低,尾缘对定子噪声贡献逐渐降低。     

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.     

定子叶片对推进器水动力性能影响分析

为探究定子叶片对于推进器性能影响,对不同结构的推进器进行水动力分析。设计配备加速型导流罩的7叶螺旋桨推进器,通过增加不同定子叶片以及设置对转推进器得到5种推进器。基于计算流体力学（CFD）对推进器的流场进行仿真模拟,考察不同结构推进器的水动力特性变化。结果表明：在研究的转速范围内前置定子最高降低扭矩百分比仅为48.71%,后置定子可完美平衡到100.99%的扭矩;前置定子降低推力幅度最大可达36.16%,后置定子提高整体推力最高为3.32%;对转推进器在推力方面远高于泵喷推进器2～4倍,且具有扭矩自平衡的效果,流场稳定性远低于泵喷;后置定子泵喷相比无定子推进器效率提高6.24%,且具有更加稳定的尾流场。     

喷水推进器进口流道水动力性能分析

[目的]研究喷水推进器进口流道主参数对其性能的影响,为喷水推进器设计提供依据.[方法]基于STAR-CCM+商业软件,通过定常雷诺平均NS方程(RANS),数值模拟分析不同进速比(IVR)工况下喷水推进器进口流道轴线高度和进流角度对其水动力性能的影响,并根据国际拖曳水池会议(ITTC)的不确定度分析规程进行数值不确定度...     

基于叶梢小翼的泵喷推进器梢隙涡控制方法数值研究

泵喷推进器转子叶片梢涡不仅会降低推进器空化性能,而且会引起较大的梢隙压力脉动和非定常激励力,从而降低推进器声学性能。因此,泵喷梢隙涡控制是提升推进器声学性能的有效途径。该文针对某前置定子泵喷推进器,提出基于叶梢翼的梢涡控制措施,并利用高精度数值仿真方法对比分析了抑制梢涡前后的泵喷推进器推进性能、流场结构、压力脉动等特性。研究结果表明：基于叶梢翼的转子梢涡控制方法可显著抑制泵喷梢涡发展和叶梢间隙压力脉动,并且对推进器的水动力性能影响较小,可为泵喷推进器声学优化提供参考。     

采用带梢隙涡模型的面元法预报泵喷水动力性能

为了预报泵喷推进器水动力性能,采用面元法建立了定常水动力干扰模型,将泵喷分为转子-桨毂和定子-导管两个系统,系统间的干扰通过诱导速度进行考虑。针对定转子的几何外形,提出了基于圆台面的叶片网格划分方法;并根据泵喷内部流动的真实情况,提出了适用于平顶式叶片的梢隙涡模型。通过从压力、环量以及推进性能等方面的结果对比,发现当泵喷考虑梢涡的影响时,转子叶片的整体环量分布以及梢部载荷更接近实际情况,性能曲线与粘流结果吻合良好,表明该方法可以有效地预报泵喷推进器定常水动力性能。     

对旋轴流式喷水推进器内部流动数值模拟与分析

在喷水推进器运行时,不考虑改变喷口直径以及转向装置,只有转速以及航速变化对喷水推进器内部流动产生影响.基于计算流体力学方法,以对旋轴流式喷水推进器为对象,并在进水流道底部加入计算所需流场控制体.使用SST湍流模型,对喷水推进器进行相同转速不同航速、相同航速不同转速下的全流道数值模拟,得到首级叶轮进口处、首次级叶轮轴向间隙、次级叶轮出口处和喷口处截面速度与压力分布,从而分析比较推进泵转速以及推进器航速对喷水推进器内部流场的影响.结果表明:航行速度对喷水推进器内部尤其是首级叶轮前后流动产生显著影响,流道内速度变化较大;首级叶轮进口处底部速度最大且对后续流动有影响;在航速不变时,速度分布基本相同,仅在数值上有所变化,单独改变转速并未对喷水推进器内部流动产生较大影响,增加转速使得推进器内部流动趋于稳定;流体流经次级叶轮后,速度与压力分布具有规律性,推进器航速及喷泵转速均不会对其产生较大影响.     

湍流入流下泵喷推进器力谱特性研究

[目的]旨在解决泵喷推进器在湍流入流作用下非定常力谱不明的问题.[方法]通过湍流生成栅格和频谱合成法相结合的方法,产生具有时间脉动和空间相干结构的湍流,然后将此种方法与模拟相结合,获得泵喷推进器非定常力的宽带谱.[结果]结果显示,所采用的计算方法能够获得泵喷推进器导管、定子和转子合理的非定常力宽带谱;泵喷推进器非定常力...     

低速大推力导管桨水动力性能预报及优化设计

为研究低速大推力导管桨水动力性能,应用商业软件Fluent,采用RANS方法结合k-ω湍流模型,开展了对原型和改型导管桨敞水状态下的数值计算。采用多运动参考坐标框架(MRF)技术,通过局部网格加密,来模拟桨叶和导管间的间隙流动。重点考察了设计工况点的水动力性能,压力分布等,通过计算分析,对导管桨(包括桨叶、导管以及前后定子)进行了优化设计。研究发现,导管桨在低速高负荷状态下,桨叶吸力面叶梢附近有很大的低压区。提高导管推力占比,可较大幅度提升推进效率。优化后置定子,能使效率得到一定提升。相关结果进行了试验验证,吻合良好,表明该数值研究方法可靠,具有广阔的工程应用前景。     

非均匀流场中螺旋桨线谱噪声指向性分析

为了对非均匀流场中螺旋桨线谱噪声的指向性特征进行分析,在Ffowcs William-Hawkings方程的基础上,建立了非均匀流场中螺旋桨线谱噪声的频域预报理论,该理论可对声源在真实桨叶表面进行积分。讨论了螺旋桨叶数、来流谐波阶数以及叶片表面力对线谱噪声指向性的影响。结果表明,特征耦合系数是线谱噪声指向性分布形态的决定因素,并且当特征耦合系数等于零时,辐射噪声主要由轴向力和主要谐波所贡献;当特征耦合系数不为零时,轴向力和主要谐波的贡献只集中于桨轴方向,而桨盘面处的噪声贡献则来源于周向力和与叶片数目相等的谐波。     

船体伴流对直翼推进器水动力性能的影响

[目的]直翼推进器是一种特种推进器,其借助从船舶底部伸出并围绕垂直轴往复式摆动的桨叶产生精准且无级可调的推力,有必要研究敞水和伴流条件下直翼推进器的水动力性能.[方法]首先,通过分析直翼推进器的工作原理,推导出叶片的多重运动规律公式;然后,基于RANS方程和κ-ε湍流模型,采用滑移网格技术计算直翼推进器的敞水性能;最后...     

泵喷推进器抗空化性能分析

为改善泵喷推进器抗空化性能以提高舰艇推进器空化初始航速,在验证所用方法可信性的基础上,运用三维反问题设计方法及计算流体力学方法对某排水型船进行泵喷推进器大样本优化设计。结果表明:泵喷推进器低压区的存在形式有3种,即大面积存在、局部存在、在叶片导边和导管进口外壁面呈线状分布;从尺寸选型、叶片负载分布、毂径比、入流角4个方面进行优化设计后,泵喷推进器抗空化性能明显提高。所总结的优化设计方法同样适用于泵喷推进器及导管桨等类似结构推进器的抗空化性能改善。     

可调螺距螺旋桨水动力性能分析

利用面元法分析可调距螺旋桨的水动力性能.计算过程中,采用较为简捷的关于扰动速度势的基本积分微分方程,并采用双曲面形状的面元以消除面元间的的间隙,Newton-laphson迭代过程被用来在桨叶随边满足压力Kutta条件,使桨叶上下表面的的压力在随边有良好的一致性,同时用模拟物体真实行状的面元法来解决调距桨在螺距变化时的叶剖面畸变的问题.用Morino导出的解析计算公式来计算面元的影响系数,加快了数值计算的速度.以无厚度线性尾涡模拟桨叶泄出涡.调距螺旋桨最佳转轴位置由理论方法求出,使得桨叶的转叶矩为零.计算过程中计入了桨毂的影响,并分析了桨毂对桨叶表面压力分布的影响.最后给出了调矩螺旋桨水动力性能随随螺距的变化规律,并和试验结果作了比较分析.     

A method for numerical calculation of propeller hydrodynamics in unsteady inflow

The hydrodynamic performance of a propeller in unsteady inflow was calculated using the surface panel method. The surfaces of blades and hub were discreted by a number of hyperboloidal quadrilateral panels with constant source and doublet distribution. Each panel's corner coordinates were calculated by spline interpolation between the main parameter and the blade geometry of the propeller. The integral equation was derived using the Green Formula. The influence coefficient of the matrix was calculated by the Morino analytic formula. The tangential velocity distribution was calculated with the Yanagizawa method, and the pressure coefficient was calculated using the Bonuli equation. The pressure Kutta condition was satisfied at the trailing edge of the propeller blade using the Newton-Raphson iterative procedure, so as to make the pressure coefficients of the suction and pressure faces of the blade equal at the trailing edge. Calculated results for the propeller in steady inflow were taken as initialization values for the unsteady inflow calculation process. Calculations were carried out from the moment the propeller achieved steady rotation. At each time interval, a linear algebraic equation combined with Kutta condition was established on a key blade and solved numerically. Comparison between calculated results and experimental results indicates that this method is correct and effective.     

面元法预报螺旋桨表面非定常压力分布

本文建立了扰动速度势面元法预报螺旋桨表面非定常压力分布的理论和数值方法。该方法把桨叶和桨毂表面离散为若干四边形双曲面元,每个面元上布置等强度源汇和偶极子分布,螺旋桨尾涡面也离散为布置等强度偶极子的四边形双曲面元。所有的时域参数通过傅里叶级数展开转化为频域参数,使得在时间域内的求解转化为每一谐调阶上的求解。桨叶随边处通过迭代和采用广义逆矩阵方法在每一谐调阶上实现非线性等压库塔条件。桨叶表面非定常压力     

复合材料螺旋桨弯扭耦合刚度特性分析

[目的]复合材料螺旋桨的弯扭耦合变形程度反映了桨叶的刚度特性,而桨叶刚度特性又与其水动力性能存在一定的相关性,将从刚度的角度对复合材料螺旋桨的纤维铺层进行优化设计.[方法]首先,以DTMB 4383复合材料螺旋桨为研究对象,基于复合材料螺旋桨流固耦合自迭代算法,构建桨叶弯扭刚度数值计算方法;然后,分别在桨叶铺设单向碳纤...     

基于Boltzmann方法的手动可调螺距桨敞水特性

针对船舶长期服役后出现的船、机、桨不匹配问题,采用Boltzmann方法建立手动可调螺距螺旋桨的数学模型,对手动可调螺距螺旋桨进行敞水特性计算,结果表明:手动可调螺距螺旋桨随着螺距角的增大,其推力、转矩逐渐增大,当进速较小时,桨叶螺距角小的效率高,进速较大时桨叶螺距角大的效率高,并且桨叶螺距角有一定的工作范围,另外随着...