潜艇紧急倒车工况流场与水动力的大涡模拟研究

紧急倒车是潜艇应急操纵下的一种重要工况。紧急倒车时推进器反转使得潜艇尾部流场十分复杂,以推进器周围存在大尺度涡环为主要特征,属典型的非定常非均匀的三维复杂涡旋流场。本文首先利用大涡模拟（LES）方法对AU5-65螺旋桨正车前进与紧急倒车工况的流场与水动力进行计算分析。计算采用五套全域结构化网格以及四种亚格子应力模型,对规范的网格收敛性与亚格子涡模型影响性进行研究,通过AU5-65桨敞水特性试验数据校验计算方法的可靠性与稳定性。在敞水计算研究基础上,又对带有AU5-65桨的SUBOFF潜艇正车前进与紧急倒车工况的流场与水动力进行数值计算研究。计算得到的尾翼马蹄涡、桨叶梢涡与毂涡等流动精细结构符合实际流动情况,计算捕捉到的大尺度涡环结构以及复杂的非定常尾流等紧急倒车工况下的流动现象也符合常规认识。最后,将不同工况的水动力与流场进行详细的对比分析,清晰地展示紧急倒车工况的典型物理特征。研究结果表明,本文建立的基于大涡模拟的数值计算方法用于潜艇紧急倒车工况计算切实可行。     

基于大涡模拟的螺旋桨毂涡结构分析与建模

为了分析螺旋桨毂涡结构和建立毂涡模型,用大涡模拟方法对敞水螺旋桨的水动力和流场进行数值计算,并通过试验模型的水动力测试和LDV流场测量进行了验证。在此基础上,通过毂涡周向平均切向速度分布特征的分析,找到了描述毂涡强度及扩散过程的控制参数,并基于Oseen涡的切向速度分布形式建立了毂涡模型。通过涡量分布及压力等值面描述了瞬态毂涡结构,发现毂涡中存在两根互相缠绕的螺旋形集中涡,且毂涡大尺度拟序结构的旋转频率明显高于螺旋桨轴频。     

螺旋桨梢涡及梢涡空泡数值模拟

以PPTC(Potsdam Propeller Test Case)桨为研究对象,探索了螺旋桨梢涡及梢涡空泡的数值模拟方法。通过梢涡区域的划分及网格加密,对螺旋桨无空化流场进行了数值模拟,成功捕获了梢涡;然后基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对空化流场进行了数值模拟;并将计算结果与试验数据进行了广泛的比较和分析,以校验计算网格和计算方法。研究表明:无论片空泡还是梢涡空泡的计算结果均与试验观测吻合良好;同时,所得螺旋桨推力和扭矩系数也与试验值符合良好;有效地实现了梢涡捕捉及梢涡空泡模拟。同时指出,水中含气率对推力和扭矩系数的影响大于空泡形态。     

低雷诺数圆柱绕流的大涡模拟分析

以二维圆柱为研究对象,采用大涡模拟的方法对圆柱绕流进行数值模拟。计算的雷诺数Re=400。计算结果能够清晰地反映卡门涡街的周期性脱落。通过对圆柱表面压力分布的深入探究,揭示圆柱尾流中产生周期性旋涡脱落的原因。研究结果中的阻力、升力呈周期性变化规律以及斯特劳哈尔数(St)都与前人实验结果较好吻合,说明大涡模拟能够对低雷诺数的圆柱绕流进行准确的模拟。     

螺旋桨低频流噪声模拟方法研究

针对DTMB P4119螺旋桨在进速比为0.833时的流噪声进行研究,探讨螺旋桨低频流噪声数值模拟方法。首先采用大涡模拟方法模拟螺旋桨的非稳态流场,然后求解K-FWH方程预测低频流噪声。将计算得到的推力系数和扭矩系数与实验值比较,验证流场模拟的正确性。从流场仿真结果可以看出,螺旋桨表面存在连续的涡脱落现象。声场计算的结果表明:离散噪声远大于宽带噪声;宽带噪声主要由螺旋桨表面的涡脱落引起,宽带噪声引起螺旋桨近场总声压级的周向波动;在同一半径处总声压级沿轴向逐渐减小,在同一平面内总声压级沿径向先增加后减小。     

海上平台支撑柱绕流特性的大涡模拟分析

海上平台是开采海洋资源的关键建筑,而支撑柱在平台中起着至关重要的作用。本文建立在海水作用下支撑柱做单圆柱绕流、串列双圆柱绕流和并列双圆柱绕流的二维流场模型,运用大涡模拟方法,对这3种模型进行数值模拟,得出其瞬时流场速度云图和圆柱受力特性曲线图。模拟计算层流和湍流情况下的圆柱绕流,通过模拟结果分析流场、升力系数和阻力系数的变化规律。     

螺旋桨四象限水动力性能数值模拟及应用

在螺旋桨数值模拟领域里,敞水桨四象限(前进中正车、前进中倒车、后退中进车、后退中倒车)的水动力性能研究几乎是空白。本文从桨的几何构建,网格生成,第一、四象限和第二、三象限的不同求解模式及流场特征,第二、三象限推力系数曲线拐点及相应的环流涡,进行了数值模拟和分析。对桨四象限的应用,以制动机动为例进行探讨。     

斜流作用下清洗机器人流场大涡模拟

针对清洗机器人受水流作用的工作稳定性问题,采用大涡模拟方法对雷诺数Re分别为300、3 000、30 000等3种来流条件下的水下机器人流场动力学特性进行数值模拟,分析其时均流场、瞬态涡结构和受力特性。结果表明：紧贴船壳壁面的水下机器人周围流场稳定性很高,壁面效应使机器人尾涡脱落受到抑制;随雷诺数增加,流体边界层厚度减小,阻力系数和侧向力系数逐渐增大;雷诺数为30 000时,阻力系数为0.53,侧向力系数为0.28,侧向力控制是水下机器人后续研究的重点。研究结果能为清洗机器人工作过程的稳定性研究提供理论依据。     

船舶螺旋桨机翼型桨叶周围粘性绕流的研究

此研究从N-S基本方程出发,采用亚格子尺度模型,运用大涡模拟方法,通过数值计算研究了船舶螺旋桨机翼型桨叶在低马赫数下的粘性绕流情况,其中包括创建模型、网格划分等,获得了速度场、压力场和涡量场等图像,对减小船舶阻力、降低振动噪声和提高船舶螺旋桨的设计水平具有十分积极的现实意义。     

基于大涡模拟的螺旋桨毂帽鳍系统精细流场数值研究

对引起螺旋桨毂帽鳍系统推进性能变化的细节及流动本质问题的研究,有助于对毂帽鳍的节能机理产生新的认识,并为改进该系统的推进性能提供新的思路。通过模型试验和大涡模拟方法对螺旋桨毂帽鳍系统进行了力的测量及精细流场的分析,从能量的角度,分析了毂帽鳍节能机理。数值模拟显示,在毂帽鳍的作用下,在紧邻桨毂后方区域的流速比无毂帽鳍时小且低速区域更广,桨毂后方流体轴向和横向动能均有所减小。由此可知,毂帽鳍通过回收一部分螺旋桨释放在尾流中的动能实现节能;在桨毂后安装一种圆锥形导流帽可避免流动分离,能进一步提高推进系统的整体效率。     

全速倒车停船试验中主机熄火原因分析

针对新船建造完成后进行全速倒车停船试验时,容易发生主机熄火的问题,为避免导致齿轮箱损坏,通过对主机遥控系统逻辑指令执行过程的分析,查找出导致主机熄火的主要原因,提出几种避免主机易熄火的方法。．     

均匀流场中螺旋桨空泡数值模拟

在FLUENT软件中,采用多块结构化网格对业内选作标桨的E779A桨和PPTC桨进行了均匀来流下的空泡数值模拟。空泡模型采用基于输运方程的完整空化模型。研究表明:不可冷凝气体质量分数对空泡流场的计算结果影响较大。比较发现:数值预报的空泡形态,无论叶背部还是叶面部的片空泡,均与试验结果吻合较好;相同工况下所得螺旋桨推力系数、扭矩系数也与试验结果一致。     

螺旋桨在均匀流场中的非定常水动力数值模拟

采用滑移网格技术,使用基于求解RANS方程的CFD软件数值模拟均匀流场中的螺旋桨非定常水动力性能.为了真正实现螺旋桨的旋转运动,在计算过程中采用定长多运动参考系模型计算出初始流场,再用滑移网格模型完成整个计算.数值计算得到的推力系数和转矩系数与实验结果吻合良好,验证了该方法应用于螺旋桨水动力性能研究的可行性.     

均匀流与非均匀流条件下螺旋桨空泡及噪声试验分析

利用空泡水筒,采用假体模拟伴流的方法,研究了均匀流与非均匀流条件下,不同流速和转速空化数时,螺旋桨空泡形态的变化和辐射噪声特性的差异。由空泡试验结果分析可知：同一流速时,螺旋桨空化程度随转速空化数的减小而变得剧烈;非均匀流条件下,螺旋桨处于不同强度伴流区时,桨叶表面空泡范围和大小差异很大,进入高伴流区时空泡加剧,远离高伴流区时空泡减弱。由噪声试验结果分析得出：针对各空泡数,随着流速的增大,辐射噪声总声级也随之增长;另外,无空泡与有空泡时,其噪声频谱曲线在高频段差异很大,表明空泡噪声对高频段的贡献较低频段大;同时,比较不同空泡状态时噪声总声级发现泡状空泡的辐射噪声总声级最大,片状空泡次之。     

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.     

螺旋桨梢涡流场的DES模拟

文章应用分离涡模型（DES）对螺旋桨尾流中梢涡流场分布进行了数值研究。为准确模拟螺旋桨梢涡流场的信息,应用全六面体网格对螺旋桨计算域进行网格划分,通过迭代计算确定螺旋桨梢涡涡核的位置。为避免数值离散误差,对梢涡区域进行了网格加密处理。为了研究螺旋桨梢涡空间形态,文中采用涡核识别的“Q准则”,对螺旋桨梢涡等值面进行定义。计算结果表明,该文建立的尾流中梢涡流场分布数值模拟方法能够准确预报出螺旋桨梢涡流场的分布及涡核形状,与实验测量结果相符。     

基于无限元方法预报非均匀流中螺旋桨的流噪声

为了系统地研究非均匀流场中螺旋桨流噪声的特点,采用CFD与声学无限元方法结合的方式,对螺旋桨的频域噪声进行数值预报。通过采用大涡模拟方法对非均匀流场中的螺旋桨水动力性能进行计算,然后运用ACTRAN软件的声学无限元方法,对螺旋桨的无空泡噪声进行数值模拟,并对特征点进行频域分析。流场计算结果显示:非定常计算得到的螺旋桨水动力系数与试验值吻合良好,LES模拟得到的流场初值是可信的;通过分析噪声分布云图及特征点频谱曲线得出:非均匀流场中螺旋桨的辐射噪声主要集中在低频段,且该频段的噪声主要由偶极子组成,同时噪声衰减速度随频率增大而减小,螺旋桨轴向声压级高于径向两侧,验证了计算结果的可靠性,为螺旋桨的水下噪声预报提供了一种新的方法。     

局部模型在工程潮流数值模拟中的应用

根据局部模型的形式和特点对其进行了归类分析 ;通过两个工程实例对局部模型在海岸河口工程潮流数值模拟中的应用进行了探讨和介绍。计算实例的结果表明 ,局部模型的使用既可以减少计算时间从而提高数学模型的效率 ,又可以提高局部海区潮流模拟的计算精度。局部模型在用数学模型手段研究工程潮流问题中起着重要作用     

潜艇艏舵绕流场的数值模拟

为了研究艏水平舵位置对于艉部流场的影响,将艏水平舵布置在指挥室或主艇体上(分别称为围壳舵和艏舵)。通过对SUBOFF进行数值模拟计算,验证网格划分方式和数值计算方法的正确性,并将该方法应用于围壳舵和艏舵模型。计算结果表明,在采用较好的流线型指挥室的情况下,采用艏舵形式有利于艉部伴流场的均匀性。     

动力定位船舶桨-桨干扰处理策略研究

本文针对动力定位船舶在推力分配中桨-桨之间的水动力干扰问题,基于二次规划算法提出了一种改进的避免桨-桨干扰的策略。以一艘海洋平台供应船模型为研究对象,通过仿真验证了该算法可以有效地降低推进器的推力损失,提高船舶的定位精度,降低推进系统的能耗。