导管螺旋桨水动力性能试验及数值研究

为了研究导管螺旋桨的推力、扭矩和敞水效率等主要水动力参数和进速系数之间的关系,本文采用物理模型试验和计算流体力学（Computational Fluid Dynamics, CFD）技术相结合的方式分析导管对螺旋桨水动力特性的影响。首先在本校拖曳水池开展导管螺旋桨模型的敞水性能试验然后使用计算流体软件STAR-CCM+对导管桨模型进行数值模拟。在模拟计算中应用多参考系法（Multi Reference Frames,MRF）,分别采用不同湍流模型对导管螺旋桨的水动力性能进行计算,并与试验数据进行对比,验证了STAR-CCM+软件模拟可以对导管螺旋桨的水动力性能进行有效预报且使用SST k-ω湍流模型获得的水动力性能精度更高。研究结果表明,导管螺旋桨更适用于在低进速系数下工作的重载船舶。     

导管调距桨的定常性能预估

本文建立了一个预估导管可调螺距螺旋桨水动力性能的数值计算方法，即螺旋浆用升力面理论、导管采用面元法，通过迭代计算考虑浆和导管的相互影响。引入了一个修正的螺旋浆尾涡模型，来模拟尾涡片的扭曲变形及分离现象，对导管桨性能预估的各种影响因素分析了系统研究，并考虑了桨毂对性能的影响。对JD简易导管桨和导管调距桨（JD7704导管＋JDC三叶可调螺距螺旋浆）分别进行了计算，并与实验结果进行了比较。结果表明，本文所建立的方法可较好地预估导管桨的水性能，精度比以往有较大的提高。     

基于重叠网格的导管桨非定常水动力性能数值模拟

为了研究特种推进器导管桨在非定常下的水动力性能,本文提出一种基于重叠网格的方法,实现了导管桨旋转过程中的非定常水动力性能仿真高精度模拟。本文通过求解RANS方程,采用湍流模型Realizableκ-ε,借助新款计算流体软件STARCCM+,应用重叠网格技术和MRF模型分别计算了导管桨在非定常与定常时的水动力性能,分析了压力流场细节,并与已有试验值进行对比,验证了采用重叠网格技术和STAR CCM+流体软件应用于导管桨非定常和定常水动力性能计算的可靠性。研究结果表明,应用重叠网格技术获得的非定常水动力性能的计算精度更高,尤其是在螺旋桨的推力和扭矩方面。     

基于重叠网格的导管桨非定常水动力性能数值模拟

为了研究特种推进器导管桨在非定常下的水动力性能,本文提出一种基于重叠网格的方法,实现了导管桨旋转过程中的非定常水动力性能仿真高精度模拟。本文通过求解RANS方程,采用湍流模型Realizableκ-ε,借助新款计算流体软件STAR CCM+,应用重叠网格技术和MRF模型分别计算了导管桨在非定常与定常时的水动力性能,分析了压力流场细节,并与已有试验值进行对比,验证了采用重叠网格技术和STAR CCM+流体软件应用于导管桨非定常和定常水动力性能计算的可靠性。研究结果表明,应用重叠网格技术获得的非定常水动力性能的计算精度更高,尤其是在螺旋桨的推力和扭矩方面。     

支撑筋对特殊导管桨水动力性能的影响

通过试验和理论计算,研究导管内螺旋桨前后加支撑筋对特殊导管桨的水动力性能影响,重点讨论导管内桨后支撑筋的叶片数和安装角对水动力性能的影响.结果表明,由于该导管桨的特殊性使得其效果与一般导管桨不同.     

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.     

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。     

推进器水动力性能数值预报自动化平台PreFluP开发

文章对各种推进器水动力性能数值预报流程进行了标准化研究,结合UG、GAMBIT和FLUENT商用软件的批处理命令,开发了推进器水动力性能数值预报自动化平台PreFluP,该平台可快速预报调距桨、导管、导管桨、吊舱推进器和泵喷推进器水动力性能及船舶阻力性能。该平台各模块均得到了大量的试验验证,具有较高的精度。     

基于CFD的导管调距桨尺度效应研究

常规螺旋桨在进行水动力实验时,需要满足临界雷诺数的要求,这样,实桨的尺度效应就可以忽略。但是,对于非常规螺旋桨,如导管螺旋桨,尺度效应能否忽略值得研究,因为机翼型导管和螺旋桨水动力性能各自随几何尺寸变化的规律不一致。基于CFD计算方法,对某导管调距桨的尺度效应进行数值研究。在获得可靠的数值模拟方法后,数值模拟了两个螺距比和两个进速下不同尺寸导管螺旋浆的流场。比尺包括1、1.7、3.4、4.25、8.5和17共6个几何尺寸。计算结果表明,导管螺旋桨敞水性能的尺度效应比预期的要明显。随着尺寸增大即雷诺数增大,导管的推力先略有增加后基本不变,螺旋桨的扭矩和推力略有下降,但效率有所增加;小螺距比工况下的尺度效应要比大螺距比的大。     

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。     

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。     

基于格子玻尔兹曼方法的导管螺旋桨推力特性分析

采用基于格子玻尔兹曼方法的新型无网格计算流体力学方法代替基于有限元或有限体积法等需要划分网格的传统计算流体力学方法对导管桨的推力特性及水动力现象进行模拟和观察,对导管桨工作在敞水中以及潜器主体后方流场中推力特性的变化进行分析和总结。计算结果表明:采用本文提出的无网格流体力学计算方法对导管桨进行推力特性研究可行。相同进速下导管桨在潜器主体影响下的流场中的推力系数要大于敞水状态下的推力系数,并且进速系数越大则潜器主体对导管桨推力系数的影响越大。     

对转桨非定常性能的CFD模拟

作为对转桨性能CFD计算研究的一部分,文章基于滑移网格模型,建立了前、后桨非定常相互作用的数值模拟方法,对两型具有不同叶数组合的对转桨进行了敞水条件的计算研究,将非定常推力、扭矩的时间平均值与相应的模型试验值进行了对比。通过非定常滑移面模型与定常多参考系模型(准定常模型)的计算结果之比较,研究了前、后桨相互作用非定常性对水动力的影响,发现:由于考虑了前桨尾涡对后桨桨叶的撞击作用,非定常模型能够比准定常模型更加精确地预报推力及扭矩的时间平均值及脉动量幅值。     

B系列串列螺旋桨敞水性能参数匹配数值仿真北大核心CSCD

分析研究B系列螺旋桨的敞水性能,应用VB语言编制B系列桨回归方程的计算程序,数值过程基于雷诺平均纳维—斯托克斯(RANS)法处理数值粘性流场,采用Fortran语言、Pro/E和GAMBIT前处理软件联合建模并划分网格,研究湍流模型对螺旋桨敞水性能的影响,对串列螺旋桨数值计算验证和敞水性能参数匹配问题进行研究,分析其尾流和速度场的变化状况。结果表明:RSM模型为较佳湍流模型;合适的桨距比和叶错角可明显提高串列桨的敞水性能,串列桨后桨吸收前桨的尾涡能量,且随着与盘面处的距离增大,串列桨轴向诱导速度减少趋势快于单桨,可提高串列桨的敞水效率。     

渡船螺旋桨水动力性能的数值预报

采用计算流体力学（CFD）方法对某渡船螺旋桨的水动力性能进行数值预报.先用DTMB P5168桨验证数值模型和方法的准确性与可信性,数值计算其推力系数、力矩系数和敞水效率.整个计算域网格划分均采用全六面体形式,分别采用三种湍流模型进行计算.计算结果与实验的比较表明,SST模型和雷诺应力模型有近乎相同的计算精度,但SST模型的计算速度更快;推力系数误差最大5.8%,力矩系数误差最大为1.7%,敞水效率误差最大为4.3%.然后,将此方法运用到渡船螺旋桨,通过对渡船螺旋桨的网格灵敏度、尺度作用以及相关的流场分析,证明该方法能实现对螺旋桨敞水粘性流场的模拟,以及其敞水性能的预报.     

对转桨水动力性能预报及影响参数分析

论文采用混合面模型(MPM)和滑移网格模型(SMM)两种不同方法预报对转桨水动力性能,通过与试验结果对比,两种方法都能比较好地预报对转桨的水动力性能,但是SMM方法的预报精度要比MPM方法高;然后,针对滑移网格模型(SMM),研究对转桨水动力性能计算的影响参数,包括网格数目、时间步长、计算时间。结果显示网格数目和计算时间达到一定值以后,对于计算结果几乎没有影响。时间步长越小,预报的结果与试验结果越接近。     

B系列串列螺旋桨敞水性能参数匹配数值仿真

分析研究B系列螺旋桨的敞水性能,应用VB语言编制B系列桨回归方程的计算程序,数值过程基于雷诺平均纳维—斯托克斯(RANS)法处理数值粘性流场,采用Fortran语言、Pro/E和GAMBIT前处理软件联合建模并划分网格,研究湍流模型对螺旋桨敞水性能的影响,对串列螺旋桨数值计算验证和敞水性能参数匹配问题进行研究,分析其尾流和速度场的变化状况。结果表明:RSM模型为较佳湍流模型;合适的桨距比和叶错角可明显提高串列桨的敞水性能,串列桨后桨吸收前桨的尾涡能量,且随着与盘面处的距离增大,串列桨轴向诱导速度减少趋势快于单桨,可提高串列桨的敞水效率。     

导管参数对导管桨水动力性能的影响研究

基于CFD数值计算,计算19a导管与Ka4-70桨敞水性能。研究了导管长度,前缘形状以及导管与桨之间的间隙变化对导管桨敞水性能的影响。计算结果表明,导管能够改善螺旋桨尾流。对于导管长度,存在最优长度使得导管桨敞水性能最好。19a导管前缘形状是最优的,改变前缘形状会降低导管桨的敞水性能。当间隙在一定范围内,导管与螺旋桨之间间隙越小,敞水性能越好。非对称上下间隙对导管桨的敞水性能影响较小。     

基于CFD法的对转螺旋桨敞水性能参数匹配研究

摘要：采用雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS)法对B型螺旋桨和对转螺旋桨周围的粘性流场进行数值处理,运用Pro/E和GAMBIT软件分别进行三维建模和网格划分,并采用ORIGIN和TECPLOT后处理软件对结果进行图像处理。分析研究湍流模型对螺旋桨水动力性能的影响,对对转桨进行数值计算验证,同时对其敞水性能参数的匹配问题进行探讨,分析其尾流和速度场的变化情况。结果表明：SST 模型为较佳的湍流模型;对转桨在适当的桨距比和直径比的情况下,后桨可充分吸收前桨的尾涡能量,其推进效率明显提高。     

前置定子导管桨空化特性数值分析

本文采用SST k-ω湍流模型和Z-G-B空化模型研究前置定子导管桨的空化特性。通过对比DTMB4381螺旋桨的空化数值计算结果与实验,验证数值计算的准确性和可靠性,分析前置定子导管桨不同空化数下空化特性。结果表明,空化数大于3时水动力性能基本不变。随着空化数的继续减小,前置定子导管桨的水动力性能明显下降。空化数为4时最先在叶顶间隙靠近尾缘端出现空化,这是叶顶泄漏涡导致的空化。空化数为3.5时在叶片吸力面出现空化,随着空化减小由转子叶顶尾缘向导边和叶根扩大。