Analysis of Cavitation Performance of 3-D Hydrofoil based on Panel Method

为了研究三维水翼定常空泡特性,利用低阶面元法结合非线性理论对三维机翼的空泡范围和形状进行了计算分析.根据运动学边界条件和动力学边界条件,采用压力恢复闭合的空泡模型结合面元法分别预报了矩形、椭球型和无限展长三维水翼的空泡性能.由计算结果可知:(1)对于三维矩形水翼在展向各水翼剖面空泡长度和厚度不同,空泡长度从展向中心向水翼两侧逐渐减小.空泡数越小,空泡区域就越大,且水翼面上的空泡体积的变化率愈大.(2)三维椭圆水翼在翼梢处计算出的压力分布有时并不满足空泡面的动力学边界条件,在尾缘处上下表面甚至出现较大压力差,存在压力“跳跃”.(3)无限展长三维水翼中心剖面处空泡厚度和长度分布与相应的二维水翼的空泡厚度分布基本一样.     

一种计算水翼水动力的三维面元法

本文用Rankine奇点面元法计算了深、浅水中三维水翼的定常升力绕流。水翼的厚度和升力效应分别以水翼表面分布的Rankine源和法向偶极子来模拟,在自由表面上也分布Rankine源,通过满足相应的边界条件和尾缘处的Kutta条件求出这些奇点强度。以在自由表面下作小攻角定常运动的水翼为例进行了计算,计算结果与试验结果和其他计算结果作了比较。     

三维水翼梢涡空泡和片空泡的雷诺数影响试验研究

螺旋桨空化是影响船舶隐身性能的一个重要因素,其中片空泡和梢涡空泡是两种主要的空泡类型。由于空化现象的复杂性,当前在工程实践中对螺旋桨空泡的预报主要是依靠模型试验。由于无法满足全相似律,如在缩比模型试验中难以满足雷诺数相似,其引起的尺度效应是影响预报精度的重要障碍。为此,需要引入相关的修正方法。针对一个给定尺度的三维水翼进行了不同攻角、不同水速下梢涡空化及片空化的试验来考察雷诺数的影响。试验在中国船舶科学研究中心的循环水槽进行,采用了高速摄影与水声设备。试验结果为建立基于模型试验的螺旋桨空化实船预报方法提供了依据。     

螺旋桨诱导的船体表面力预报新方法

在已知船舶的质量、刚度、阻尼以及实测尾端振动速度的条件下,反推出螺旋桨叶频激振力.这是属于结构动力学的反问题即载荷识别问题.在深入研究国内外螺旋桨激振力计算方法以及综合分析影响螺旋桨激振力的各种要素后,采用载荷识别方法,提出计算空泡螺旋桨诱导的船体表面力的新公式,用该公式预报了四条船的表面力并与国外有关方法进行比较,预报的螺旋桨激振力与脉动压力值均在国外各公式预报值之间.用该公式预报的5.2万吨多用途货船的脉动压力值与空泡水筒中的实验值相比误差为21.8%;预报了30万吨超大型油船的激振力并由该激振力算出的尾端振动速度值与实测值相比误差仅为3.64%.     

近自由面三维水翼的水动力分析及试验研究

采用面元法对近自由面三维水翼进行势流数值分析并进行了相关试验研究。在数值计算中,将Rankine源和偶极子置于边界面上,用时间步进法模拟水翼的势流场和自由表面波形。在自由面采用非线性自由面边界条件,在尾涡面上采用偶极子布置以满足Kutta条件。文中给出了数值计算模型的参数,对于不同浸深、不同航速和不同攻角下的水翼,计算了水翼表面上的压力分布,水翼的阻力和升力及自由表面波形。数值计算结果与试验结果进行了对比。结果表明,文中方法可用于水翼优化设计、近自由面振动翼运动及水翼船兴波等问题的研究。     

船后螺旋桨空泡数值预报及试验对比

文章研究了湍流模型对螺旋桨空泡计算结果的影响,结果表明常用的湍流模型均可较好地预报螺旋桨空泡形态。采用RANS求解器,结合SST k-ω湍流模型和Sauer空化模型,数值模拟了船后螺旋桨空泡。用对称面边界条件处理自由表面,滑移网格技术处理螺旋桨旋转,时间步长为1°。螺旋桨空泡模拟结果与大型循环水槽试验结果进行了对比,虽然由于计算网格稀疏的原因没能捕捉到螺旋桨梢涡空泡,但螺旋桨空泡随空间角度的动态行为与试验观察结果吻合较好。     

用RANS方法预报螺旋桨非定常空泡

基于空泡混合模型用RANS方法对螺旋桨非定常空泡进行了预报.采用尺度函数以渐进扩张的方式对桨叶表面进行网格划分,在导边、随边、叶根、叶梢等部位加密,而在桨叶表面中部单元逐渐增大.为了更好地考虑湍流边界层的流动特性,构建了棱柱层和四面体混合非结构化网格.为节约划分网格的时间,建立了一种几乎不需人为干预的快速划分螺旋桨计算域网格的方法.对非均匀进口来流用自定义函数进行设置,空泡的预报结果与试验结果吻合较好,证明该方法在螺旋桨非定常空泡计算方面的可行性和良好的应用前景.     

超空泡流理论的应用(英文)

对于二元定常超空泡流可以化成Rieman-Hilbert混合边值问题用奇异积分方程的方法来求解。对三元空泡流问题由于速度图映射法不能应用,只能求助于数值解。 与高速水翼和超空泡螺旋桨的设计有关的水翼剖面超空泡绕流问题属于小扰动问题,作者在1964年和1966年已求得解答。在螺旋桨设计中应用二元超空泡水翼理论,尚需考虑翼栅效应。作者介绍了应用动量理论求解超空泡翼栅流。 在换算实验结果与理论计算时必须注意筒壁对空泡流的影响。作者列出其估算式。 近年来对空泡流问题获得相当大的进展,现有的二元及准二元自由流线理论可以成功地用来设计定常运行下的超空泡翼型、螺旋桨及水泵。但对于非定常超空泡流尚须进一步研究。     

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.     

螺旋桨片状空泡的CFD分析

基于RANS求解器采用非结构化网格对螺旋桨敞水性能和空泡性能进行了数值模拟,主要研究了不可压缩性气体质量分数对螺旋桨片空泡预报结果的影响,空泡模型采用基于输运方程的完整空化模型,预报的敞水性能与试验值吻合较好,预报的空泡形态与文献结果及公开发表的试验结果相一致。这表明,用该方法预报螺旋桨空化性能是可行的,为以后进一步研究螺旋桨空泡打下了基础。     

Numerical analysis of cavitating propeller and pressure fluctuation on ship stern using a simple surface panel method “SQCM”

This paper presents a calculation method for the pressure fluctuation induced by a cavitating propeller. This method consists of two steps: the first step is the calculation of propeller sheet cavitation, and the second step is the calculation of pressure fluctuation on the ship stern. It is for practicality that we divide the method into two steps but do not calculate these steps simultaneously. This method is based on a simple surface panel method “SQCM” which satisfies the Kutta condition easily. The SQCM consists of Hess and Smith type source panels on the propeller or cavity surface and discrete vortices on the camber surface according to Lan’s QCM (quasi-continuous vortex lattice method). In the first step, the cavity shape is solved by the boundary condition based on the free streamline theory. In order to get the accurate cavity shape near the tip of the propeller blade, the cross flow component is taken into consideration on the boundary condition. In the second step, we calculate the cavitating propeller and the hull surface flow simultaneously so as to calculate the pressure fluctuation including the interaction between the propeller and the hull. At that time, the cavity shape is changed at each time step using the calculated cavity shape gotten by the first step. Qualitative agreements are obtained between the calculated results and the experimental data regarding cavity shape, cavity volume and low order frequency components of the pressure fluctuation induced by the cavitating propeller.     

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     

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.     

基于面元法的吊舱推进器定常性能研究

基于势流理论面元法建立了吊舱推进器定常性能的计算方法.分别建立螺旋桨和吊舱的积分方程,通过在表面上布置双曲面元将方程离散为以面元上偶极强度为未知量的矩阵.螺旋桨和吊舱之间的相互影响通过迭代计算来处理.Newton-Raphson迭代过程被用来在桨叶随边满足压力Kutta条件.为避免数值求导中的奇异性,用柳泽(Yanagizawa)方法求得物体表面的速度分布.支架作为升力体处理,并通过迭代计算更新支架的尾涡形状.计算了拖式吊舱推进器的定常水动力性能,与实验结果的比较表明,计算误差在5%以内.分析了舱体对螺旋桨的影响,舱体的伴流会引起螺旋桨的载荷增大.     

冰阻塞参数对螺旋桨水动力性能影响试验研究

针对冰水混合环境下冰阻塞逼近效应对螺旋桨水动力性能影响,在空泡水筒开展了均流和冰阻塞条件下的螺旋桨模型水动力性能试验,测试了冰桨轴向、垂向间距等冰阻塞参数对不同运行工况的螺旋桨模型水动力性能影响。试验结果表明,冰阻塞物一方面改变流场特征直接影响螺旋桨模型推力和扭矩,另一方面改变桨叶的空泡特性进而影响水动力性能。在无空化状态,随着垂向和轴向阻塞逼近程度的加深,在冰阻塞环境螺旋桨模型推力系数相比于均流可产生40%和20%的增加;而在桨叶严重空泡的重载状态,螺旋桨水动力随冰桨间距的变化不明显,桨叶的空泡效应减缓了冰阻塞效应的影响程度。     

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.     

时域螺旋桨空泡噪声的球空泡脉动体积方法

采用球形体积方法对时域螺旋桨空泡噪声进行了数值计算,并与另外2种方法进行了比较。首先提出单极子模型计算螺旋桨空泡噪声的可行性;其次应用面元法计算出满足螺旋桨水动力学条件以及空泡动力学条件的螺旋桨空泡形状;最后结合Lighthill方程在特殊情况下的解将空泡体积脉动转换为螺旋桨空泡噪声。     

螺旋桨空泡及其诱导的脉动压力的数值和试验研究

对螺旋桨空泡及其诱导的船体表面脉动压力进行了预报分析,并在大型循环水槽进行了模型空泡观测以及脉动压力测试,将模型试验结果、数值预报结果进行了比较分析,讨论了空气含量对脉动压力的影响.     

螺旋桨非定常性能预估的面元法

本文建立了一个预估螺旋桨非定常性能的基于速度势的非定常面元法,该方法中采用了双曲面元,避免了面元之间的缝隙,并采用迭代方法实现非线性的等压库塔条件。文中以第22届国际水池会议(ITTC)推进技术委员会推荐的HSP桨与D4679桨和挪威船舶技术研究所(MARINTEK)提供的PF-W-B桨为算例进行了考核计算,与试验结果和其他研究工作者的计算结果比较表明,螺旋桨的非定常性能预报的结果是令人满意的。     

螺旋桨水动力性能的数值预报方法

基于速度势的低阶面元法预报螺旋桨的水动力性能。选用四边形双曲面元对桨叶进行离散以消除面元间的缝隙,基本积分方程由格林公式导出。在面元上布置等强度源汇和偶极子。采用线性尾涡并在每个尾涡面元上布置等强度的偶极子。利用Newton-Raphson迭代过程满足桨叶随边非线性等压kutta条件,使桨叶上下表面的压力在随边处一致。利用Morino计算影响函数的解析公式,采用Yanagizawa方法求得物体表面上的速度分布,并对普通桨和大侧斜桨进行了数值预报。