某船用螺旋桨空泡诱导下的脉动压力试验方法

文章分析了由螺旋桨空泡诱导的脉动压力对船体振动的影响及计算方法。为了进一步研究螺旋桨空泡对脉动压力的贡献量,以某船用螺旋桨为对象,分别进行了设计和压载工况下的空泡及无空化时的脉动压力试验。试验结果表明,在相应的测量点处,无空泡下时的对应阶次脉动压力值都低于发生空泡下的值,尽量减小或避免空泡的发生,将可有效减小螺旋桨诱导的脉动压力值,从而减缓船体的振动。     

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.     

空泡螺旋桨诱导的船体脉动压力预报

本文用空泡预报的结果,在桨叶面和尾涡面布置强度已知的源汇和偶极子,计算了空泡螺旋桨诱导的脉动压力.真实的船体表面形状可以通过在船体表面布置偶极子来考虑,求得船体表面的偶极子强度后,通过Bernoulli方程可得到船体表面的脉动压力.为了便于同已有的试验数据进行比较,本文计算了空泡螺旋桨诱导的平板脉动压力.     

某工程船艉部振动问题诊断及改进

某工程船试航时在恒转速低工况下艉部舵机舱存在异常局部振动现象,且振动频谱峰值并不对应机电设备主激励频率。为了诊断艉部振动的原因,在恒转速低工况下对艉部结构振动速度及螺旋桨脉动压力进行测量和分析。初步判断振动与螺旋桨桨叶相关,引起艉部较强振动的原因是恒转速小螺距工况下螺旋桨面空泡破裂,进而激发螺旋桨前2阶模态引起桨叶共振,然后通过桨轴传递给船体。改进建议是优化叶形以减小面空泡。该案例对船舶设计具有以下指导意义：螺旋桨设计时要考虑强度和刚度,尽量避免叶梢比刚度过低;对于调距桨,在螺旋桨0.7R～1.0R(R为螺旋桨半径)范围内螺距卸载要缓和,避免大幅度螺距卸载。     

两艘多用途船的螺旋桨设计研究

以2艘多用途船螺旋桨设计为例,运用螺旋桨理论设计与模型试验为手段,探索了特定条件下加大桨叶后倾角（增加桨叶梢与船底板间隙）、改变螺旋桨叶面积以及增加桨叶侧斜角对诱导脉动压力和效率的影响。结果表明：采用减小空泡裕度增加盘面比的措施,对降低脉动压力的效果最为显著;增大侧斜角措施的效果居中;通过改变后倾角增大叶梢与船底板间隙的措施,降低脉动压力效果相对要小一些。     

非均匀伴流中复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合研究

复合材料可改善螺旋桨空化性能及振动特性,在先进海洋推进装备领域备受关注。本文基于URANS计算复合材料螺旋桨外流场,应用FEM求解桨叶结构动态响应,并将水动力载荷及结构变形实时双向传递,建立复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合数值计算方法。精细地模拟了桨叶经过高伴流区过程中叶梢空泡的演化;叶梢最大变形量随着叶梢空泡的初生、发展而逐渐增大,在梢涡空泡形成阶段达到最大值,然后随着空泡的溃灭而减小;揭示了复合材料的应用使螺旋桨推进效率得以提高、叶梢空化得以抑制的机理,即复合材料螺旋桨在空化水动力载荷作用下产生弯扭耦合变形,自适应地调整攻角以抑制空泡发展;对比了典型空化工况下复合材料与刚性金属螺旋桨空化水动力性能的区别;与刚性金属桨相比,复合材料螺旋桨的压力脉动峰值缓和,对非均匀伴流场的适应性更好。     

非均匀伴流下无空泡螺旋桨涡流噪声的数值研究

应用分离涡方法(DES)对螺旋桨的涡流场进行了模拟。提出了一种在桨叶附近生成高质量边界层网格的结构化网格划分方法。利用Q准则和自定义函数对桨叶泄涡及其频率特性进行了研究。以桨叶表面脉动压力为声源,通过求解FW-H方程对螺旋桨噪声进行了预报。频谱分析表明螺旋桨低频离散线谱噪声、低频宽带噪声以及高频涡流噪声都得到了较好的预报,特别对涡流噪声的频谱特性进行了分析。数值计算结果表明:以单桨叶表面压力脉动为声源,涡流噪声为单调音,频率即为桨叶泄涡频率,声压级比宽带噪声高出约15 dB;以整个螺旋桨表面压力脉动为声源,涡流噪声在泄涡频率附近有着多条线谱,各线谱的频率间隔相等,声压级比宽带噪声高出约10 dB。     

一种螺旋桨模型噪声的试验研究

螺旋桨模型试验中,有时噪声谱中出现窄带噪声峰,有人认为这个峰是梢涡空泡噪声,是“看不见的梢涡空泡”引起的,但这种解释未经实验证明。本文用实验证实这种窄带噪声峰与桨叶梢部流动有关,无论梢涡空泡可见与否,都可能出现。     

螺旋桨空泡和噪声特性试验研究

本文通过螺旋桨空泡噪声模型试验,研究螺旋桨空泡和噪声特征,以及螺旋桨不同阶段空泡和噪声的关系,探究螺旋桨噪声产生及控制机理.建立了螺旋桨空泡和噪声同步测试方法,针对2400 TEU集装箱船螺旋桨开展模型试验.从螺旋桨模型试验结果分析得出:片空泡脱落形成梢涡空泡产生的噪声量级最高,且具有宽带特性,梢涡空泡噪声量级次之;模型状态下片空泡脱落形成梢涡空泡,以及独立的梢涡空泡引起的空泡噪声均在1000 Hz附近存在明显峰值,对应实桨的峰值频率为50-60 Hz.     

侧推器脉动压力及噪声的试验研究

侧推器桨叶负荷重、叶梢间隙很小,比普通螺旋桨更容易产生空泡,因此振动和噪声问题更加突出。公开文献中相关试验研究极少。作者在上海交通大学空泡水筒开展了侧推器脉动压力和噪声的模型试验研究,对于齿轮箱位于桨叶上游的情况,考察了来流速度、螺旋桨转速以及空泡对脉动压力和噪声的影响。试验分析表明前两个因素影响很小;有空泡时的脉动压力和噪声均比无空泡时明显增大;有空泡时,随着空泡数的降低,桨盘面处的压力脉动会进一步加剧,而噪声却下降了。     

螺旋桨空泡和噪声特性试验研究（英文）

本文通过螺旋桨空泡噪声模型试验,研究螺旋桨空泡和噪声特征,以及螺旋桨不同阶段空泡和噪声的关系,探究螺旋桨噪声产生及控制机理。建立了螺旋桨空泡和噪声同步测试方法,针对2400 TEU集装箱船螺旋桨开展模型试验。从螺旋桨模型试验结果分析得出:片空泡脱落形成梢涡空泡产生的噪声量级最高,且具有宽带特性,梢涡空泡噪声量级次之;模型状态下片空泡脱落形成梢涡空泡,以及独立的梢涡空泡引起的空泡噪声均在1 000 Hz附近存在明显峰值,对应实桨的峰值频率为50-60 Hz。     

螺旋桨设计参数对桨叶片空泡性能的影响分析

文章基于扰动速度势面元法建立了在均流条件下螺旋桨桨叶片空泡数值预报方法,空泡模型采用压力恢复闭合模型。通过对5600TEU集装箱船螺旋桨空泡的数值预报,以及与试验结果的比较,验证了该方法的可行性。该方法能够较为快速准确地预报螺旋桨桨叶片空泡,可用于分析参数对螺旋桨空泡性能的影响,为抑制螺旋桨空化设计提供基础。在此基础上重点分析了桨叶侧斜、纵倾以及桨叶剖面型式对螺旋桨空泡性能的影响,计算表明加大侧斜能够减少空泡面积,空泡向外半径偏移;桨叶剖面的设计对空泡性能影响较大,优化设计桨叶剖面可以有效减少空泡面积,提高螺旋桨抗空化能力;纵倾向压力面弯曲的分布形式可以改善梢部的压力分布,减少叶梢附近空泡长度,从而可望减少由空泡引起的脉动压力。     

螺旋桨梢部卸载和叶片侧斜对降低脉动压力的作用

在中国船舶科学研究中心的空泡水筒中进行了螺旋桨空泡诱导的船体脉动压力试验。 为15000吨单桨货船设计了梢部卸载和叶片侧斜的螺旋桨。几种方案的模型试验表明,梢部卸载能使螺旋桨有较好的空泡性能,脉动压力大幅度下降。增加叶片侧斜能使空泡性能进一步改善,脉动压力进一步下降。 本文讨论了叶片上不定常空泡和伴流场模拟对脉动压力的作用。空泡体积变化和空泡破灭是产生脉动压力高频分量的原因。     

均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报

文章采用Sauer空化模型,研究了网格类型和湍流模型对均流中螺旋桨梢涡空泡数值模拟的影响,研究表明,现有的空泡模型适合于螺旋桨梢涡空泡的数值模拟,其中梢涡空泡区域网格密度是关键,文中提出了一种合适的梢涡空泡区域网格加密方法.对PPTC螺旋桨全湿流和梢涡空泡进行了数值预报,螺旋桨梢涡空泡形态与试验结果进行了对比,并应用涡判据"Q准则"和"λ2准则"分析了梢涡与梢涡空泡的流动特征.全湿流中梢涡区域的涡量随周向的分布呈现单峰特性,最小涡量在涡心处,而空泡流中梢涡空泡区域的涡量随周向的分布呈现双峰特性,最小涡量不在涡心处.     

均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报（英文）

文章采用Sauer空化模型,研究了网格类型和湍流模型对均流中螺旋桨梢涡空泡数值模拟的影响,研究表明,现有的空泡模型适合于螺旋桨梢涡空泡的数值模拟,其中梢涡空泡区域网格密度是关键,文中提出了一种合适的梢涡空泡区域网格加密方法。对PPTC螺旋桨全湿流和梢涡空泡进行了数值预报,螺旋桨梢涡空泡形态与试验结果进行了对比,并应用涡判据"Q准则"和"λ2准则"分析了梢涡与梢涡空泡的流动特征。全湿流中梢涡区域的涡量随周向的分布呈现单峰特性,最小涡量在涡心处,而空泡流中梢涡空泡区域的涡量随周向的分布呈现双峰特性,最小涡量不在涡心处。     

螺旋桨诱导船体表面脉动压力预报的试验研究

研究了螺旋桨诱导的船体表面脉动压力试验预报值随空气含量变化的规律及螺旋桨模型空泡形态随含气量变化的规律,并与实桨空泡对比分析;探索了脉动压力试验预报与实桨测量值最接近的空气含量控制准则;比较了螺旋桨模型在船模伴流场和修正后的伴流场中工作时,螺旋桨诱导的船体表面脉动压力预报值及螺旋桨模型空泡形态,与实船测量观察结果进行对比,并就伴流场修正对螺旋桨诱导的船体表面脉动压力试验预报的影响作了探讨;研究了螺旋桨诱导的船体表面脉动压力的预报值随桨模试验转速变化的规律。     

带前置预旋导轮的螺旋桨空泡脉动压力数值模拟研究

本文基于非定常粘性RANS方法结合Schnerr-Sauer空泡模型,建立了船后螺旋桨空泡脉动压力数值预报方法,并开展了数值方法的不确定度分析;然后采用ITTC'78自航预报规程结合CFD方法预报了带前置预旋导轮的节能效果,开展了安装节能导轮后的螺旋桨空泡脉动压力预报研究;对比分析了有无节能装置时的螺旋桨叶表面空泡形态及1阶和2阶船体脉动压力.研究表明,在本实例中安装节能装置后的1阶和2阶脉动压力分别下降了33％和20％,而桨叶表面空泡面积也有所下降.     

带前置预旋导轮的螺旋桨空泡脉动压力数值模拟研究（英文）

本文基于非定常粘性RANS方法结合Schnerr-Sauer空泡模型,建立了船后螺旋桨空泡脉动压力数值预报方法,并开展了数值方法的不确定度分析;然后采用ITTC'78自航预报规程结合CFD方法预报了带前置预旋导轮的节能效果,开展了安装节能导轮后的螺旋桨空泡脉动压力预报研究;对比分析了有无节能装置时的螺旋桨叶表面空泡形态及1阶和2阶船体脉动压力。研究表明,在本实例中安装节能装置后的1阶和2阶脉动压力分别下降了33%和20%,而桨叶表面空泡面积也有所下降。     

基于CFD软件的均流中空化螺旋桨的水动力性能预报

利用Star-CCM+软件,以PPTC (Potsdam Propeller Test Case)螺旋桨为研究对象,选用Realizable k-ε湍流模型和Schnerr&Sauer空泡模型,对螺旋桨在敞水和存在空泡条件下的水动力学性能进行探究。研究结果表明：桨叶表面的空泡分布情况与试验结果的吻合度良好,螺旋桨推力系数和扭矩系数的数值计算结果十分准确;桨叶表面的空泡分布与压力分布有关。利用Q准则探究桨叶的三维泄涡结构及其发展规律,结果发现,梢涡的脱落频率与空泡数之间存在关联性。     

初步估算螺旋桨所引起的诱导脉动压力和振动的简单方法

在瑞典国家水池(简称SSPA)多年来一直广泛地运用简化的估算螺旋桨激振力和船体总振动的方法。这两种方法近年来得到了进一步地发展。其基础是建立在大量空泡筒和全尺度试验结果上的。为了估算脉动压力的幅值,SSPA采用了一种简单的图谱用以考虑螺旋桨桨叶叶梢间隙,伴流分布以及空泡数的影响。最近又提出了一种用以决定桨叶盘面比,径向负荷分布以及螺旋桨桨叶侧斜影响的简易图谱。估算自由液面的存在对脉动压力的影响也是近年来SSPA的一项发展成果。本文将对上述完整方法扼要地作一介绍,并提供与模型和全尺度试验的比较结果。在许多年以前,为了估算一定量级的脉动压力幅值而产生的总振动量,SSPA发展了一种新的估算方法,这种方法当时仅局限于大吃水的单桨船舶。本文将对此方法以及最近的一些修改和补充作一简单的叙述。补充后的上述方法不仅适合于单桨船还适用于双桨以及双导流尾鳍的船舶,还考虑到船舶吃水,长度的影响。