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.     

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。     

可调距螺旋桨转叶力矩的数值计算

通过对标准螺旋桨DTMB4119粘性流场的数值模拟验证了通过求解RANS方程模拟螺旋桨粘性流场方法的可信性。在此基础上求解某调距桨不同工况下水动力性能及水动转叶力矩。采用空间离散—数值积分的方法求解调距桨离心转叶力矩。调距桨转叶力矩的精确计算,为调距液压系统功率的选择和桨毂强度计算提供了必要和可信的基本外部载荷。     

调距桨桨毂机构水动力负荷加载方式仿真研究

本文首先对某调距桨进行了CFD仿真分析,然后将CFD计算得到的桨叶分布式压力负荷加载至调距桨桨毂有限元模型的桨叶上进行有限元静强度仿真计算,并与多点约束集中(MPC)加载方式的计算结果进行比较。因分布式压力加载方式更接近真实加载情况,更适应于精度要求较高的高负载调距桨桨毂设计,与分布式压强加载相比,虽然MPC加载方式精度较低,但因其载荷加载处理与仿真计算时间大为缩短,得到的结果偏安全,因此适用于一般的工程强度估算校核。     

调距桨转叶力矩数值预报研究

采用RANS方法结合SST k-ω模型计算了某调距桨的敞水性能。通过对桨叶表面的压力积分得到水动力转叶力矩。对于J=0的系泊工况,采用多项式函数外插法求解水动力转叶力矩,以避免数值计算在超低进速系数条件下容易发散的问题;同时采用数值方法计算离心力转叶力矩。计算结果表明不同螺距下的敞水特性、水动力转叶力矩系数和离心力转叶力矩系数的数值计算结果与试验数据吻合较好,验证本文所提方法在调距桨转叶力矩求解的可靠性。     

水动力载荷下复合材料螺旋桨强度评估

为开展水动力载荷下复合材料螺旋桨强度评估研究,首先采用ANSYS/CFD计算螺旋桨流体模型在设计工况下的水动力载荷,并基于ABAQUS软件通过编码INP文件将水动力载荷施加于螺旋桨结构强度模型上;然后基于Hashin失效准则,分析不同铺层角下螺旋桨可能出现的失效模式,进行复合材料螺旋桨结构强度的评估分析;最后,依据应力等效原则,将水动压力载荷等效为集中载荷,开展模型桨静强度试验和仿真计算。结果显示:仿真计算结果与试验结果吻合良好,最大误差在9%以内,验证了复合材料螺旋桨强度评估方法的可靠性。     

调距桨调距过程中叶元体受力的CFD分析方法研究

对调距桨作定距桨工况和作调距桨工况时叶元体水动力进行了CFD计算与分析.叶元体采用NACA4412翼型.采用,k-ε和SST两种湍流模型求解叶元体攻角为6.4°时压力系数分布并与面元法计算结果和实验曲线进行比较,校验了CFD分析方法的可信性.在此基础上对叶元体攻角每改变2°进行一次稳态工况计算,分析调距桨在60°转角范围内叶元体水动力随攻角的变化关系.变化曲线与实验曲线吻合良好,且计算精度要高于面元法程序XFOIL.然后采用滑移网格技术对调距桨整个调距过程进行了动态模拟,并将计算结果与作定距桨使用时的稳态工况值时进行了对比.结果表明:在攻角-12°～18°范围内,叶元体所受水动力、力矩在稳态和动态时的值基本相等.动态时叶元体正负失速角均较稳态延迟2°～4°.在大攻角范围内,叶元体稳态时所受阻力明显较动态时大、升力和制动力矩均较动态时小.研究结果表明现行采用的利用稳态敞水实验值来确定调距机构强度的方法是存在风险的;建议取稳态值和动态值两者中大者为强度设计的基本依据.     

可调螺距螺旋桨水动力性能分析

利用面元法分析可调距螺旋桨的水动力性能.计算过程中,采用较为简捷的关于扰动速度势的基本积分微分方程,并采用双曲面形状的面元以消除面元间的的间隙,Newton-laphson迭代过程被用来在桨叶随边满足压力Kutta条件,使桨叶上下表面的的压力在随边有良好的一致性,同时用模拟物体真实行状的面元法来解决调距桨在螺距变化时的叶剖面畸变的问题.用Morino导出的解析计算公式来计算面元的影响系数,加快了数值计算的速度.以无厚度线性尾涡模拟桨叶泄出涡.调距螺旋桨最佳转轴位置由理论方法求出,使得桨叶的转叶矩为零.计算过程中计入了桨毂的影响,并分析了桨毂对桨叶表面压力分布的影响.最后给出了调矩螺旋桨水动力性能随随螺距的变化规律,并和试验结果作了比较分析.     

船用螺旋桨桨叶应力数值计算

综合运用计算流体力学(CFD)与有限元分析(FEA)方法对船用螺旋桨桨叶应力进行数值模拟和分析。采用CFD方法对设计工况与非设计工况的敞水特性进行数值模拟;将CFD数值模拟所得的空间水动力作为外部载荷,采用有限元方法对桨叶应力进行计算分析。以5叶侧斜桨为算例,得到的推力系数、转矩系数与敞水试验值具有较好的一致性,得到的桨叶应力结果与理论分析相吻合,本方法可对桨叶应力进行准确的数值预报。     

某破冰船调距机构有限元强度计算

调距桨是破冰船常用的推进型式,DNV GL船级社在破冰船调距机构的强度计算上积累了丰富的经验。文章针对按极地冰区PC-5级强度设计的破冰船调距机构,根据DNV GL规范,采用有限元方法对该调距机构进行了强度计算。首先依照DNV GL规范计算了桨叶失效冰载,然后分2种工况采用有限元仿真计算了在桨叶失效冰载作用下调距机构的强度。计算结果表明:该调距机构强度满足DNV GL规范的要求。     

大侧斜螺旋桨强度校核探讨

针对大侧斜螺旋桨复杂的几何外形和载荷分布,为准确解决其强度校核问题,介绍了两种螺旋桨强度校核方法,传统的悬臂梁法和有限元法。前者视桨叶为变截面的悬臂梁,按正车最大航速时的静态负荷来进行校核;采用有限元法在全速正车和紧急倒车状态时计算叶片的应力应变,重点介绍了紧急倒车过程中作用在桨叶上最大水动力载荷的确定方法。最后通过算例分析,比较两种方法校核同一螺旋桨强度的结果,指出有限元法更适合用于大侧斜螺旋桨的强度校核。     

直翼推进器水动力性能数值模拟

在直翼推进器的工作原理分析的基础上，以某型直翼推进器的缩比试验模型为研究对象，利用基于计算流体力学的数值模拟方法进行了建模与仿真，并通过将数值仿真结果与试验数据相比较的方法验证了仿真方法的准确性。在此基础上，对直翼推进器的流场特性、敞水性能、桨叶及整桨载荷等水动力特性进行了分析，为直翼推进器水动力性能预报及桨叶及推进器设计提供了技术支撑。     

基于流固耦合的舵桨水动力性能研究和强度校核

文章创新地提出了将流固耦合计算方法应用于对舵桨的水动力性能和强度校核的联立求解中。应用此方法,对舵桨在不同航速下的水动力性能进行了研究,比较了不同航速下舵桨产生的推力和扭矩,总结出桨叶推力、扭矩、敞水效率随进速变化的规律;同时又以流体计算的结果作为强度计算的载荷条件,对舵桨强度进行校核,从而保证了舵桨满足强度需求。流固耦合计算方法的使用为舵桨性能研究提供了一套全新的方法。     

均匀流中螺旋桨无空泡噪声数值预报方法验证分析

为了分析敞水螺旋桨噪声性能,以某一螺旋桨为研究对象,采用大涡模拟方法对其敞水水动力性能进行计算,所得结果与试验值误差较小;然后运用基于无限元方法的声学软件Actran对螺旋桨的无空泡噪声进行数值模拟,并对特征点频谱曲线、螺旋桨声压云图、声指向性与衰减特性进行分析,得到单极子噪声特性-径向声压级高于轴向声压级,并且随着距桨中心距离的增大,声压级衰减速度减小,径向与轴向声压级差距缩小;验证数值预报方法的有效性,为船桨一体噪声数值模拟提供参考.     

全回转推进器螺旋桨桨叶结构强度评估方法

为了解决全回转推进器螺旋桨的单向流固耦合问题,实现螺旋桨桨叶结构强度精确评估,文章基于计算流体力学和有限元法开展了螺旋桨桨叶的结构强度计算方法研究,重点探讨了桨叶表面随机分布压力从流体域到固体域的转换技术。在此基础上,文中提出了桨叶固液交界面上水动力载荷的转换方法,详细研究了插值加权系数和有限元网格尺寸对桨叶结构强度计算精度的影响规律,给出了适用于桨叶强度评估的插值加权系数和单元网格尺寸选取原则。最后,该文以5000 kW级全回转推进器螺旋桨为例,开展了桨叶结构强度数值计算和安全评估,获得了桨叶的应力和变形分布规律,整体上建立了全回转推进器螺旋桨桨叶结构强度评估方法,可为大功率全回转推进器螺旋桨设计提供借鉴和参考。     

面元法预估导管螺旋桨定常性能的一种简便方法

用基于速度势的低阶面元法建立预估导管螺旋桨定常性能的计算方法,即对导管和螺旋桨都采用面元法,在计算面元的影响系数时计入导管和螺旋桨的相互影响。将对JD简易导管桨的计算与实验结果进行比较表明,该方法可以有效地应用于导管桨的定常性能计算。     

Long marine shafting alignment and optimization considering propeller hydrodynamic force in wake field北大核心CSCD

[目的]针对计入螺旋桨水动力的舰船轴系校中计算,传统方法通常容易忽略船体伴流场的影响,使得螺旋桨水动力计算的结果与真实值之间存在较大偏差,从而导致轴系校中精度下降。[方法]以某舰船长轴系为对象,建立桨-轴-船一体化有限元模型及其伴流场流域模型,利用CFD数值仿真的叠模方法计算螺旋桨水动力;采用流固耦合法将流体计算结果作用于螺旋桨表面,进行轴系校中计算,并得到螺旋桨水动力对轴系整体挠曲线及各轴承状态参数的影响规律。在此基础上,引入多目标优化算法开展轴系多目标优化校中,来解决轴系末端四套轴承间载荷差值过大的问题。[结果]考虑螺旋桨水动力后,轴系尾部挠度变化减小,越靠近螺旋桨处的轴承其载荷所受影响越大,载荷值随进速系数的增大而减小;对比多目标优化前后的轴系校中状态,轴系各轴承之间的载荷差值明显减小,轴系运行状态得到改善。[结论]所提方法提高了计入螺旋桨水动力的轴系校中计算精度,可为轴系校中质量的提升提供参考。