艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法研究

本文给出了基于大涡模拟(LES)与Powell涡声理论的艇桨耦合状态螺旋桨水动力与噪声数值预报方法.首先描述了LES方法与Powell涡声理论及其声学远场解;然后利用LES结合滑移网格计算了AU5-65螺旋桨敞水工况的水动力,得到了推力系数、扭矩系数与敞水效率,给出了螺旋桨梢涡、叶根涡、毂涡的流动结构空间分布,又计算了SUBOFF潜艇带AU5-65螺旋桨自航工况水动力,获得了实效伴流分数、推力减额与相对旋转效率等自航因子,分析了螺旋桨在艇后旋转时的涡旋结构,并将敞水与自航水动力计算结果与试验结果进行了对比分析,验证了流动计算方法的可靠性;最后,在对流动声源数值计算的基础上,对敞水与自航工况下的螺旋桨噪声进行了数值预报,并与试验结果进行了对比分析,分析了声压谱谱型与幅值,辨识了艇桨耦合流动对于螺旋桨噪声的影响,验证了数值预报方法的适用性与可靠性.     

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。     

渡船螺旋桨水动力性能的数值预报

采用计算流体力学（CFD）方法对某渡船螺旋桨的水动力性能进行数值预报。先用DTMB P5168桨验证数值模型和方法的准确性与可信性,数值计算其推力系数、力矩系数和敞水效率。整个计算域网格划分均采用全六面体形式,分别采用三种湍流模型进行计算。计算结果与实验的比较表明,SST模型和雷诺应力模型有近乎相同的计算精度,但SST模型的计算速度更快;推力系数误差最大5.8%,力矩系数误差最大为1.7%,敞水效率误差最大为4.3%。然后,将此方法运用到渡船螺旋桨,通过对渡船螺旋桨的网格灵敏度、尺度作用以及相关的流场分析,证明该方法能实现对螺旋桨敞水粘性流场的模拟,以及其敞水性能的预报。     

串列螺旋桨水动力性能的数值预报

为了分析串列螺旋桨的水动力性能,本文运用计算流体动力学理论,结合雷诺时均 RANS方程和相对运动参考坐标系对其三维定常粘性流动进行数值模拟。应用 Fortran语言编制程序计算螺旋桨的型值点,并采用三次样条曲线拟合各点,建立串列桨三维模型。以某一串列螺旋桨作为研究对象,得到螺旋桨的推力系数、转矩系数以及流域内速度分布等水动力特性参数,并给出敞水性能曲线。计算结果与试验数据吻合较好,验证了数值方法的可行性和准确性。     

串列螺旋桨水动力性能的数值预报

为了分析串列螺旋桨的水动力性能,本文运用计算流体动力学理论,结合雷诺时均RANS方程和相对运动参考坐标系对其三维定常粘性流动进行数值模拟。应用Fortran语言编制程序计算螺旋桨的型值点,并采用三次样条曲线拟合各点,建立串列桨三维模型。以某一串列螺旋桨作为研究对象,得到螺旋桨的推力系数、转矩系数以及流域内速度分布等水动力特性参数,并给出敞水性能曲线。计算结果与试验数据吻合较好,验证了数值方法的可行性和准确性。     

S集装箱船螺旋桨诱导激振力预报的试验研究

相对其它船型，集装箱船舶螺旋桨的功率密度较高，由其螺旋桨诱导的船体激振力引起船舶剧烈振动的可能性倍增。现介绍SSSRI预报螺旋桨诱导船体激振力的模型试验研究手段和方法，以S集装箱船舶螺旋桨为对象，给出实船螺旋桨诱导船体激振力水平的预报结果。     

云计算环境下螺旋桨振力异常数值预报分析

作为动力机械,螺旋桨的性能直接关系到船舶的运行状况。当船舶航行时,螺旋桨出现激振力异常的情况,会增大船舶的振动,导致船体不稳,若是风浪比较大,则可能引起倾覆。因此,对螺旋桨的振力异常情况进行及时准确的预报显得尤为重要。为实现这一目标,可依托云计算环境,借助适宜的软件,对螺旋桨激振力的产生过程加以计算,为异常数值预报分析提供可靠依据,这对于船舶航行安全性和稳定性的提升具有重要意义。     

船模伴流场修正对螺旋桨激振力预报的影响

介绍Hoekstra船模伴流修正方法、伴流模拟方法及螺旋桨激振力测量的试验过程。以第16届ITTC推荐的Sydney Express桨为研究对象,在上海船舶运输科学研究所空泡实验室用网格方法模拟船舶艉部流场,通过布置在桨模上方相应位置平板上的5个传感器进行了脉动压力测量。比较螺旋桨在船模伴流场和使用Hoekstra法换算得到的实船伴流场中工作时激振力的预报值及桨模空泡形态,并与实桨对比,就伴流场修正对螺旋桨激振力预报的影响作了探讨。     

兴波及航态对螺旋桨激振力预报的影响

针对船舶航行时的船体兴波及航态变化,采用RANS方法、VOF方法及船体六自由度运动方程,建立了考虑船体兴波及航态变化时螺旋桨激振力的计算方法。叠模、考虑船体兴波及考虑航态变化时螺旋桨推力、船底板压力计算结果的对比表明:考虑兴波及航态变化时,由于流速变化,螺旋桨推力平均值减小,船底板压力平均值增大;由于来流不均匀程度的变化,1倍叶频处峰值减小;考虑兴波及航态变化时,计算得到的激振力更加接近真实情况,但由于激振力在频域中较为接近,为节约计算量,计算时可不考虑船体兴波及航态变化。     

兴波及航态对螺旋桨激振力预报的影响

针对船舶航行时的船体兴波及航态变化,采用RANS方法、VOF方法及船体六自由度运动方程,建立了考虑船体兴波及航态变化时螺旋桨激振力的计算方法。叠模、考虑船体兴波及考虑航态变化时螺旋桨推力、船底板压力计算结果的对比表明:考虑兴波及航态变化时,由于流速变化,螺旋桨推力平均值减小,船底板压力平均值增大;由于来流不均匀程度的变化,1倍叶频处峰值减小;考虑兴波及航态变化时,计算得到的激振力更加接近真实情况,但由于激振力在频域中较为接近,为节约计算量,计算时可不考虑船体兴波及航态变化。     

螺旋桨激振力传递模式下的艇体振动和声辐射分析

潜艇的艇体结构是潜艇螺旋桨激振力向外辐射噪声的重要通道,而轴系是螺旋桨激振力传递到艇体的必经之路,因此有必要研究潜艇轴系向艇体传递的激振力对潜艇艇体振动和辐射声功率的影响。为此,分别针对螺旋桨轴向激振力、螺旋桨侧向激振力和螺旋桨垂向激振力工况,使用模式分析的方法,将轴系对艇体的作用力分解为互不相关的力传递模式的叠加。建立潜艇结构有限元模型,采用结构有限元耦合流体边界元的附加质量附加阻尼算法,分析单阶力传递模式作用于艇体时艇体的振动和声辐射特性。所做的研究可为分析螺旋桨激振力作用下的艇体振动和声辐射提供一种新的方法。     

斜流中艇后螺旋桨水动力数值计算方法

为解决潜艇操纵性研究中螺旋桨水动力预报问题,本文应用Fluent软件对斜流条件下全附体潜艇模型艇后水动力进行计算。网格划分上将计算域分解为静止域与转动域2部分,2部分交界面采用滑移网格技术传递数据。选取适当的数值离散方法,分别计算0°攻角时不同进速下以及设计进速下不同攻角时艇后螺旋桨水动力的值,并通过与试验数据的对比验证算法的可靠性。计算结果表明,艇后螺旋桨推力和扭矩随着攻角的增大呈现出先减小后增大的趋势。     

螺旋桨受损变形对激振力影响的数值计算分析

为了分析螺旋桨变形前后激振力的变化情况,并为实际工程问题提供理论依据,以标准桨DTMB P4119为研究对象,在非均匀伴流场下进行数值计算方法的验证,形成了一套非均匀伴流下螺旋桨激振力数值计算方法。用该方法对某一螺旋桨变形前后的激振力进行数值计算,得到其轴承力和脉动压力,并对变形前后的激振力数据进行对比分析。结果表明,对于此桨的实际情况,变形前后所引起的轴承力变化十分明显,脉动压力有明显的倍轴频特性,从而导致船体的严重振动,与实际现象相符。所以工程中一定要避免螺旋桨梢部变形引起的螺距变化,并且螺旋桨相关参数要符合规范要求。     

螺旋桨激振力作用下船体振动及水下辐射噪声研究

利用有限元法和边界元方法分析比较了螺旋桨激振力三个方向分力(轴向、横向、垂向)分别作用以及同时作用时引起的船体结构振动与水下辐射噪声。结果表明,船体结构在螺旋桨激振力作用下在轴频、叶频、一倍叶频、二倍叶频以及船体固有频率处振动响应出现线谱;横向螺旋桨激振力引起的船体水下辐射噪声最大,垂向力其次,最小是轴向力;三个方向激振力同时作用时船体最大辐射声功率出现在叶频处,主要由横向力引起,其次是轴频处,主要由轴向力引起。分析其原因主要是横向激振力在叶频时最大,而且与船体固有频率接近,产生共振,轴向力在轴频处次之。     

泵喷推进器水动力噪声的数值预报

泵喷推进器由于其高航速时优异的噪声性能,在核潜艇上已得到广泛应用,对其水动力噪声数值计算方法进行研究具有重要意义。文中首先在利用CFD方法得到固体壁面脉动压力分布的基础上,基于边界元方法完成了静止固体壁面流噪声的计算,结合点源模型并借鉴扇声源理论完成了任意边界条件下旋转声源噪声的计算,并且噪声计算结果与试验值、文献值吻合较好;然后以某泵喷为对象分别计算了泵喷静止部件和旋转部件的水动力噪声,最后对二者声场进行叠加即得到泵喷总噪声。结果表明静止部件噪声宽带总声级在径向最高,旋转部件噪声则在轴向最高;在导叶通过频率及其谐频处,由于叶轮与导管内壁面相互作用区域脉动剧烈,使得导管成为径向测点处噪声的主要贡献者,导叶对总声场的贡献量很小。     

全回转导管桨水动力干扰数值预报与分析

为探明串列全回转导管桨水动力干扰问题,基于粘流理论,采用滑移网格方法,开展了均匀来流下两个串列桨在不同偏转角度下水动力性能的数值预报研究,定量分析了不同偏转角度下,上游桨对下游桨水动力的影响,重点关注不同偏转角度时下游桨推力、功率损失及叶片负载的脉动无序性。研究结果表明,在上游桨尾流影响下,上游桨无偏转角度时,下游桨推力损失约70%,上游桨偏转10度时,下游桨推力损失约15%。本文研究结果对动力定位系统控制策略具有指导意义。     

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。