空泡效应对冰阻塞环境下的螺旋桨性能影响研究

针对空泡效应对冰区船舶螺旋桨在冰阻塞环境下的推进性能影响,在空泡水筒开展了均流和冰阻塞环境不同空泡数下的螺旋桨模型水动力性能对比试验。试验结果表明空泡效应减缓了冰阻塞环境下螺旋桨推力均值上升的程度,加剧了非定常变化的幅度;冰阻塞环境螺旋桨受空泡影响发生推力突降的运行工况要早于均流环境。采用CFD方法对冰阻塞环境下的螺旋桨模型水动力和空泡特性进行了数值模拟,冰阻塞典型工况的螺旋桨模型水动力性能计算结果与模型试验结果误差在5%以内,在相同工况下桨叶表面的空泡形态模拟结果与模型试验基本一致,表明本文冰阻塞环境螺旋桨水动力和空泡性能的数值模拟方法具有较高计算精度。     

冰块阻塞状态的螺旋桨空泡激振力特性分析

针对极地船舶在冰区航行时的冰水混合环境对螺旋桨性能影响,本文采用RANS方法对不同冰块阻塞和压力状态的螺旋桨非定常空泡和水动力性能进行数值模拟,分析了冰块阻塞状态对螺旋桨空泡激振力的影响规律。结果表明,冰块阻塞状态的螺旋桨水动力性能由冰桨逼近的流场阻塞和桨叶空泡效应共同决定,冰阻塞物下游产生的低速低压回流区可改变螺旋桨附近流场结构和压力场分布,加剧桨叶空泡形态的不规则和螺旋桨空泡激振力的时域非定常性。从频域上看,冰桨阻塞作用造成螺旋桨空泡激振力的高阶量显著上升,空泡激振频率向高阶次移动。     

冰阻塞环境对螺旋桨水动力和空泡影响试验研究

为了探究阻塞环境对冰区桨水动力和空泡特性的影响,辅助冰区螺旋桨的优化设计,本文在大型循环水槽中搭建冰阻塞环境下螺旋桨水动力性能和空泡特性的测试平台,测量和观察常压和减压状态下不同冰桨阻塞参数时螺旋桨及单桨叶的水动力载荷和空泡形态。试验结果表明：冰阻塞条件下的螺旋桨水动力性能是由冰桨阻塞参数、空泡环境和螺旋桨运行工况综合作用的结果,在冰块阻塞效应和邻近效应、螺旋桨抽吸作用、冰块周围回流区以及“皮鲁埃特效应”综合影响作用下冰块和螺旋桨之间会诱发连体涡空泡并导致螺旋桨水动力性能剧烈波动。     

空泡下双向冰级桨水动力性能试验研究

针对空泡效应对双向冰级螺旋桨的正车性能和倒车性能的影响,本文采用螺旋桨模型空泡水筒试验方法,探讨均流环境中空泡数和进速系数对螺旋桨正车和倒车水动力影响,以及在冰阻塞环境中空泡数、进速系数和冰-桨距离对螺旋桨正车和倒车水动力性能影响。研究结果表明：均匀流环境中定水速变转速,严重的空化现象对推力和扭矩的削减大于由螺旋桨转速增加而增加的推力和扭矩;冰阻塞环境中定转速变水速,螺旋桨推力和扭矩受到冰阻塞和空泡共同作用,当空化严重时,推力和扭矩不再随阻塞距离的减小而增加;本双向螺旋桨的倒车性能要比正车性能差,进速系数越大,性能差越大,均匀流中进速系数为0.7时,推力系数的差值在80%左右;冰阻塞中随着冰-桨距离的增加,水动力差值随之增加,但增加幅值较小;空泡不断地在桨叶生成,并在与桨叶分离时快速溃灭,随着冰-桨距离的减小,近冰桨叶表面空化现象越严重,空泡发生面积越大,且空泡形状越不规则。     

冰阻塞参数对吊舱推进装置性能的影响

为研究阻塞冰与吊舱推进装置相对位置变化引起的水动力性能变化规律、载荷分布特点和流场变化趋势，通过建立冰与吊舱推进装置相互作用的数值模型和理论计算方法，改变阻塞冰的状态和空间位置变化。计算结果表明：在来流方向，当阻塞系数相同时，冰块尾端与桨盘面的轴向距离越近，螺旋桨的推力系数和扭矩系数越大；当阻塞面积相同时，螺旋桨的旋向对螺旋桨的推力系数和扭矩系数的影响不大；在相同阻塞系数下，垂向距离分布对螺旋桨的推力系数和扭矩系数几乎没有影响。冰块阻塞物对螺旋桨的阻塞面积越大，螺旋桨前面的低压区域越大；随着阻塞面积减小，阻塞物对螺旋桨的影响逐渐减小。研究结果可为冰区吊舱推进器的总体设计提供指导。     

冰对螺旋桨水动力性能影响的试验研究

为了探究螺旋桨-冰相互作用过程中螺旋桨水动力性能的变化,研究了非冻结模型冰在轴向运动时螺旋桨推力和扭矩随螺旋桨-冰之间距离以及螺旋桨不同进速系数的变化规律,以及非冻结模型冰在横向和垂向运动时螺旋桨推力和扭矩的变化规律。试验结果表明,螺旋桨在阻塞状态下推力和扭矩的值与敞水实验值相比显著增加;螺旋桨推力和扭矩随螺旋桨-冰之间距离的减小,先逐渐增加后增加值不稳定;非冻结模型冰在横向运动时螺旋桨推力不变,扭矩表现为在横向右端时最大;非冻结模型冰沿垂向运动时越往下运动螺旋桨推力和扭矩越大;区分了非冻结模型冰极端尾涡和螺旋桨-冰之间距离对螺旋桨水动力性能的影响。文中的试验设计和相关结论对于螺旋桨-冰相互作用的进一步研究有着一定的指导意义。     

基于结构化网格技术的螺旋桨定常空泡性能数值分析

为了研究定常状态下螺旋桨的敞水性能和空泡性能,采用基于粘流理论的CFD方法开展了系统地计算分析。采用结构化网格方案,将计算区域划分为两个计算区域,内域包含螺旋桨,并将桨叶表面以及桨毂表面的网格进行加密。通过将螺旋桨推力、转矩系数及效率等水动力特性参数的计算值与试验数据进行对比分析,验证了本数值方法的可靠性。利用多相流混合模型计算了螺旋桨的定常空泡性能,并简要分析了不同空泡数下的螺旋桨空泡性能,为以后预报螺旋桨空泡性能提供一种可行方案。     

二相流模式下JDC4-55可调桨粘性流场分析

运用CFD方法中的汽-液混合二相流模型模拟JDC4-55可调桨的水动力性能和空泡性能。通过改变进速和调节桨叶角度得到相应的水动力性能参数。分析空泡对螺旋桨水动力性能的影响,进行JDC4-55可调桨桨流场模拟分析。相对于单相流模型而言,JDC4-55可调桨汽-液混合二相流模型性能计算结果与实验值吻合得更好。     

非冻结模型冰-螺旋桨切削状态的试验研究

冰-螺旋桨的切削过程十分复杂，如何精确掌握冰桨作用模式和揭示冰桨作用机理对冰区螺旋桨理论研究和设计极其重要。本文介绍了利用冰桨切削试验平台开展的不同冰材料、螺旋桨尺度、切削深度、冰推送速度及螺旋桨转速时的冰桨切削试验研究，以及对螺旋桨冰载荷、遮蔽效应和冰桨作用模式进行的测量和分析。试验结果表明：通过高速摄像机对冰桨切削过程的捕捉证明了桨叶遮蔽效应的存在；相同切削深度时，螺旋桨尺度越大，桨叶受到的遮蔽效应越严重；冰桨切削深度越深，桨叶受到的遮蔽效应越严重，且螺旋桨中受到遮蔽效应的桨叶也越多；随着冰块推送速度的增加，模型冰的破坏模式由剪切断裂破坏逐渐向局部挤压破坏和剪切断裂破坏转变；极地船舶破冰航行过程中，可适当地提高螺旋桨转速，以减小螺旋桨受到的冰载荷，提高破冰能力。     

冰阻塞对倒车螺旋桨空化和水动力性能的影响

针对极地船舶在冰区航行时空泡对螺旋桨倒车性能的影响,采用敞水螺旋桨模型试验和基于RANS黏流CFD数值模拟的方法,开展双向破冰船螺旋桨在冰阻塞环境下倒车性能研究。研究结果表明,在空泡数σ为4.0和1.5,冰-桨距离L/D从0.7减小到0.3时,推力系数和扭矩系数呈现先增加后减小的趋势,空泡覆盖面积增加。在进速系数J=0.55、空泡数σ=1.5时,螺旋桨倒车性能最差。对于这一工况,当冰-桨距离L/D从0.7减小到0.3时,推力系数从0.141增加到0.147,然后减小到0.137,扭矩系数从0.023 1增加到0.023 9,然后减小到0.022 8;冰-桨距离L/D=0.3时近冰块桨叶吸力面上空泡覆盖面积约为L/D=0.7时的3倍,螺旋桨尾流在冰阻塞影响下偏转了14°。这项研究可为极地船舶冰区螺旋桨设计提供技术支持。     

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...     

涡流发生器在民船减振上的应用研究

  目的  连体涡空泡会导致螺旋桨诱导船体激振力急剧上升。因破冰船螺旋桨的负荷通常较大,再加之浮冰阻塞的复杂影响,发生连体涡空泡的风险较高,需要对其作用机理予以探索性的分析。   方法  在大型空泡水筒中开展机理性试验,并结合数值模拟手段,引入“皮鲁埃特效应”对连体涡空泡周围的流场进行详细研究。   结果  结果显示：当冰模型下端面至螺旋桨轴中心的距离H为桨模型直径D的0.25倍时,调节冰模型与螺旋桨的轴向位置可以诱发连体涡空泡;当H=0.5D时,连体涡空泡始终未发生。   结论  分析表明,较强的水动力相互作用、涡系结构以及“皮鲁埃特效应”是冰阻塞作用下螺旋桨连体涡空泡形成的机理。     

水下潜器系统导管螺旋桨水动力特性及周围流场分布预报与分析

运用计算流体力学方法对水下潜器系统中导管螺旋桨在水下潜器转艏运动中螺旋桨周围的水动力现象进行观察,对在这样的工况下导管螺旋桨周围流场特征、进速、诱导速度、推力沿盘面和桨叶径向的分布,以及螺旋桨所发出的推力与螺旋桨周围流场之间的关系进行观察。计算结果表明:在一定的螺旋桨转速条件下,进速越小,螺旋桨所发出的推力也越大;由于导管出口处激发出的梢泄涡作用,导致盘面后叶梢附近轴向诱导速度降低、压力增大,该处叶面与叶背之间的压差也随之增大;螺旋桨的推力沿桨叶径向的分布呈现出半径越大,所产生的推力也越大的特点。     

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...     

基于流固耦合的螺旋桨性能分析及参数优化

为了研究某型螺旋桨水动力及强度特性.首先建立螺旋桨实体模型,再在CFX中设置计算条件,运用CFD有限元方法计算与分析不同进速下螺旋桨的推力系数、转矩系数、敞水效率以及桨叶压力分布等水动力参数特性及其变化趋势;然后通过Workbench平台应用流固耦合方法,将CFX求解得到的螺旋桨表面压力载荷加载到螺旋桨结构强度分析模型上,对螺旋桨的强度进行计算.最后通过改变纵倾角和螺距对螺旋桨结构进行优化,并将仿真结果与原桨比较,结果表明适当增大纵倾角能增大螺旋桨强度,适当降低螺距能提高螺旋桨敞水效率、提高抗空泡性能并增大螺旋桨强度.     

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.     

Experimental study on a model azimuthing podded propulsor in ice

The objective of this study was to investigate the performance of a model azimuthing podded propulsor in ice-covered water. Model tests were carried out with two different depths of cut into the ice (15 and 35 mm), two different ice conditions (presawn and pack ice conditions), and four different azimuthing angles. The depth of cut is the maximum penetration depth of the propeller blade into the ice block. The 0.3-m-diameter model propeller was operated in a continuous ice milling condition. Ice loads were measured by several sensors which were installed in various positions on the model. Six one-axis pancake-style load cells on the top of the model measured the global loads and two six-component dynamometers were installed on the shaft to measure the shaft loads. One six-component dynamometer was attached to the one of the propeller blades inside the hub to measure the blade loads. The pod unit and propeller performance in ice are presented. Ice-related loads, which were obtained when the blade was inside the ice block, are introduced and discussed. During the propeller–ice interaction, a blade can experience the path generated by the previous blade, which is called the shadowing effect. The effects of shadowing, depth of cut, azimuthing angle, and advance coefficient on propulsor performance are presented and discussed.     

Study on the design of propeller blade sections using the optimization algorithm

A new method for designing propeller blade sections is presented. A vortex lattice method is used to evaluate the performance and the time-dependent pressure distribution on the blade surface in a non-uniform flow, while efficient optimization algorithms are used to modify the blade sections. Two different designs were carried out in this study. The first was a design to realize a target pressure distribution in a rotating three-dimensional flow. A two-dimensional wing theory was used to obtain the target pressure distribution. The predicted increase in efficiency and the reduction in the cavity volume were confirmed by model experiments. The second was a design to maximize the propeller efficiency. By this method, the propeller efficiency was improved by 1.2% under the constrains of constant thrust and a prescribed margin for face cavitation.     

基于MRF方法和滑移网格的螺旋桨水动力性能研究

本文基于计算流体力学(CFD)方法,对多重参考系模型(MRF)及滑移网格模型(SM)在计算螺旋桨水动力性能时的差异进行了探讨。将以上两种模型应用到4381螺旋桨的水动力性能计算中,首先将计算得到的推力系数及转矩系数与试验数据进行了对比,考察了两种计算模型对螺旋桨的敞水性能的预测情况,并进一步对两种模型计算得到的螺旋桨盘面的速度场、桨叶的压力分布、桨后涡量云图等进行了对比分析。计算结果表明,滑移网格模型相较于多重参考系模型,对螺旋桨的推力系数的模拟结果误差更小,扭矩系数方面,两种模型的模拟结果相差不大;对于进速系数较大时,两种模型模拟得到的压力分布及速度分布较为相似,但对于高负荷情况,滑移网格模型可以更好地捕捉桨叶的压力分布及桨盘面处的速度分布情况;进速系数较小时,多重参考系模型可以模拟出涡结构的发散现象,而滑移网格模型可以更好的在高进速系数情况下捕捉到梢涡结构。     

螺旋桨旋涡发放数值模拟

基于LSDYNA软件和任意拉格朗日—欧拉（ALE）方法,建立螺旋桨与流体相互作用的有限元模型,数值计算螺旋桨固定桨叶在前方来流下的流体动力特性和结构力学性能,分析总结桨叶后方旋涡运动和桨叶内部应力变化的规律。结果表明,螺旋桨桨叶的不规则形状导致了桨叶后方旋涡的相互作用,桨叶单元所在位置的厚度以及该位置与约束位置的距离决定了单元应力的大小。数值模拟得出的结论对研究螺旋桨＂唱音＂现象有一定的参考价值。