基于推力数值计算的喷水推进船快速性预报与验证

为实现对喷水推进船航速的快速、精准预报,基于ANSYS-CFX软件平台建立喷水推进器推力的计算流体力学(CFD)模型,采用分块六面体结构化网格离散计算域,采用稳态多参考系法求解雷诺时均的Navier-Stokes方程和SST湍流模型,对喷水推进器内的流场进行数值模拟.采用壁面积分法获取喷水推进器的等转速推力曲线,将其与船阻力曲线相叠加,通过求曲线的交点预报航速.选取可提供推进特性图谱的船A、带双级轴流式喷水推进器的船B和带混流式喷水推进器的船C为例,验证该方法的准确性.结果表明:船A配置的喷水推进器的推力计算值和航速预报值与厂商提供的数值吻合良好,船B和船C的航速预报结果均与实船试航值比较接近,最大偏差小于0.5 kn.结果验证了计算模型的可信性和适用性,进一步表明该方法可较好地指导喷水推进器厂商根据船舶所有人的需求便捷地选出合适型号的喷水推进器.     

实尺度喷水推进船拖泵工况数值模拟与分析

对于四泵推进的喷水推进船,在巡航工况时中间加速泵通常处于锁轴状态,其拖曳阻力的大小对喷水推进器的选型以及船泵机的最优匹配有着重要影响。然而,拖泵阻力很难通过船模试验的方法获得。为此,该研究在验证均匀和非均匀条件喷水推进器数值模型的准确性基础上,采用数值试验的方法对18节航速下某双泵推进喷水推进船的实尺度"船体+两台喷水推进器"系统带自由液面的流场进行了数值模拟,计算此时喷泵拖曳阻力及其所占船体阻力的百分比。以此喷泵拖曳阻力作为参考,对尺寸与上述喷水推进泵相近的某四泵推进喷水推进船的喷泵进行了选型和设计,并对该船在18节航速下加速泵拖曳阻力的大小进行了计算,进一步验证选型时拖曳阻力取值的合理性。为消除尺度效应的影响采用实尺度模型对"船体+四台喷水推进器"系统带自由液面的非定常流场进行计算,并探索了大尺度条件下船泵系统考虑自由液面和重力影响的非定常计算方法。     

国内动态

正顺达与海军联合研发喷水推进器试航成功由海军工程大学和广东顺达船舶工程有限公司联合设计、制造的高性能混流式喷水推进器SD-HGD-PB255不久前在某军用高速巡逻艇上成功试航,实测航速超过设计航速3km/h之多。据悉,该型喷水推进器采用不锈钢作为喷泵泵体     

基于CFD的船舶喷水推进器优化设计

介绍了计算流体力学(CFD)作为一种先进手段在喷水推进器水力性能分析、结构优化设计和推进性能检验中的重要应用.界定了喷水推进器数值计算域,采用结构化网格进行空间离散,选择剪切应力输运湍流模型进行数值计算.在进行了网格无关性分析的基础上,计算了某新型喷水推进泵的外特性,并采用多种定性和定量指标对导叶的整流效果和进水流道的引流性能进行评估,并进行了合理的优化改进.在各部件性能优良的基础上,对“船+泵”流场进行整体计算,通过壁面积分法求取喷水推进器产生的有效推力进行船舶快速性预报. CFD技术的应用为喷水推进器最终设计成功提供了有力保障.     

喷水推进器水动力性能分析与优化设计研究

针对国内某喷水推进游艇进水流道和导叶叶片水动力性能不理想的问题,应用优化设计和计算流体方法对其进行改进。为满足数值计算所需要的船底边界层对进水流道和喷泵的影响,界定喷水推进器流场控制体,联合采用四面体非结构化网格和六面体结构化网格对所有区域进行离散,选择剪切应力输运湍流模型,采用稳态多参考系方法计算求解系统流场。将喷泵、进水流道、格栅和船底组合一起并通过壁面积分法计算在70~90 km/h航速时产生的有效推力。结果表明,导叶叶片和进水流道通过优化设计后,喷水推进器的推力效率提高,产生的推力明显大于原设计。     

国产新型喷水推进器推动我国舰船市场

2011年5月24日,山东怡纳福船艇制造有限公司组织"飞鹰一号"快艇的试航,航速达到38节(超过设计航速37节)。该艇采用的是我国自行研发的首型SD-HGD-PB266型混流式喷水推进器。该喷水推进器由海军工程大学舰船新型推进技术研究室设计、广东顺达船舶工程有限公司制造。继"飞鹰一号"之后,海军工程大学和顺达公司继续合作,联合开发了第二型混流式喷水推进器(SD-HGD-PB255)。今年3月,由常州玻璃钢船厂制造的某军用高速巡逻艇安装了该型喷水推进器;在     

泵轴对进水流道流动性能和喷水推进器推进性能的影响

采用数值方法研究泵轴对进水流道流动性能及喷水推进器推进性能的影响。利用SSTCC k-ω湍流模型求解计算域,使用多面体网格划分进水流道,通过网格无关性分析确定无轴式进水流道和有轴式进水流道计算域的网格数。计算结果表明：泵轴主要影响低进速比工况下的流道效率、垂直度和不均匀度,以及高进速比工况下的流道效率;泵轴的存在使其上方区域存在一对漩涡结构,且出口截面泵轴上方存在显著的低速区,在相同进速比工况下,有轴式进水流道的最小压力系数小于无轴式进水流道的最小压力系数,有轴式进水流道的抗空化能力弱于无轴式进水流道。在低进速比和高进速比工况下,泵轴的存在会显著降低进水流道的流动性能。无轴式喷水推进器的流量系数、扬程系数、功率系数、喷水推进泵效率、系统效率和推进效率等推进性能全面优于有轴式喷水推进器。     

New method for predicting full-scale power performance of pumpjet propulsion system based on statistical learning北大核心CSCD

[目的]针对“适配于螺旋桨的船尾线型+泵喷推进器”构成的船舶泵喷推进系统,提出一种基于统计学习的实船快速性预报新方法。[方法]以某大型水面船舶泵喷推进系统为对象,通过神经网络学习典型推进泵的推力系数图谱曲线,综合运用船-桨配合时的K_(T)-J曲线和船体-喷泵配合时的推力特性曲线,建立“仅需船舶阻力曲线就能实现船舶泵喷推进系统实船快速性预报”的新方法,并基于船模阻力试验、泵喷模型敞水试验及船体-泵喷自航试验的测量换算结果对实船推进性能的预报结果开展精度校验。[结果]校验结果表明:在航速18~30 kn范围内,船舶泵喷推进系统的自航转速、推力和功率的预报误差可控制在5.4%以内,其中设计航速附近的误差甚至小于2%;船体-泵喷的相互作用程度介于船-桨与船体-喷泵之间且幅值相对较小,推力减额系数为趋向于0的极小值,故船舶泵喷推进系统是介于桨轴推进系统和喷水推进系统之间的产物。[结论]该预报方法有利于提升船舶泵喷推进系统实船快速性预报的能力,可为新型舰艇泵类推进系统总体设计/研究提供参考。     

对旋轴流式喷水推进器内部流动数值模拟与分析

在喷水推进器运行时,不考虑改变喷口直径以及转向装置,只有转速以及航速变化对喷水推进器内部流动产生影响.基于计算流体力学方法,以对旋轴流式喷水推进器为对象,并在进水流道底部加入计算所需流场控制体.使用SST湍流模型,对喷水推进器进行相同转速不同航速、相同航速不同转速下的全流道数值模拟,得到首级叶轮进口处、首次级叶轮轴向间隙、次级叶轮出口处和喷口处截面速度与压力分布,从而分析比较推进泵转速以及推进器航速对喷水推进器内部流场的影响.结果表明:航行速度对喷水推进器内部尤其是首级叶轮前后流动产生显著影响,流道内速度变化较大;首级叶轮进口处底部速度最大且对后续流动有影响;在航速不变时,速度分布基本相同,仅在数值上有所变化,单独改变转速并未对喷水推进器内部流动产生较大影响,增加转速使得推进器内部流动趋于稳定;流体流经次级叶轮后,速度与压力分布具有规律性,推进器航速及喷泵转速均不会对其产生较大影响.     

不同工况下喷水推进泵内流性能研究

为研究不同工况下喷水推进泵的内流性能,以轴流式喷水推进泵为研究对象,运用Ansys18.2流体计算软件模拟了不同转速和不同航速下喷水推进泵内的内流场,分析了喷水推进泵的转速和航速变化对其能量特性和内部流动的影响.数值计算结果表明:喷水推进泵的推力与航速呈负相关,与转速呈正相关;随着船舶航速的增大,喷水推进泵进水流道内的流速逐渐增大,叶轮进口速度的高速区面积有所增大,导叶出口速度分布的周期性逐渐减弱;随着转速的增加,叶轮进口处更容易发生空化,导叶出口压力上升,速度增大;喷水推进泵进水流道的唇部区域存在小范围的高压区,且航速越高,转速越低,该区域面积越大.     

喷水推进泵空化性能数值模拟与试验验证

为研究喷水推进泵空化性能,采用计算流体力学(CFD)方法对自行设计的喷水推进泵内部空化流场进行了数值计算与分析。用六面体结构化网格对喷水推进泵的进流管道、叶轮、导叶体和出流管道进行网格划分;通过求解由SST湍流模型封闭的RANS方程计算得到喷水推进泵内部流场,计算得到的扬程、功率和效率特性曲线与试验结果吻合较好。文中还对多个流量的空化性能进行了数值预报,计算结果与试验数据在趋势上具有一致性;小流量工况的临界净正吸头与试验值误差较小,而大流量工况的临界净正吸头与试验值误差较大。研究结果表明:采用CFD方法预报喷水推进泵内部空化流场和空化性能是可行的,可作为喷水推进泵优化设计的有效途径。     

实尺度浸没式喷水推进泵设计参数选择与性能分析

为设计某浸没式喷水推进泵,以某小型轴流式喷水推进泵为对象建立浸没式喷射模型,采用CFD方法模拟分析浸没喷射对喷泵水力性能的影响。研究表明,浸没式喷射对喷泵水力性能的影响变化不大。根据喷水推进和船体边界层基本理论,考虑喷泵工作环境不同时的水力特性变化,基于Matlab/simulink仿真平台建立浸没式喷水推进泵水力设计参数选型程序,实现快速高效地得到喷泵基本设计参数为设计者提供设计依据。根据选型结果运用三元理论设计出所需喷泵,运用CFD方法获取浸没式喷泵的敞水水力性能,并安装到实尺度船上预报推进性能,结果表明浸没式推进系统具有较高的推进效率、满足快速性要求,验证了设计参数选型程序的适用性。     

基于CFD的喷水推进泵导叶三维反设计研究

导叶整流效果不佳是某喷水推进船未达到设计航速的一个重要原因.介绍基于三维理论的喷水推进泵导叶设计方法,叶片形状通过给定轴面轮廓和环量分布规律后经迭代计算得出.基于计算流体力学工具建立描述喷水推进泵内流场的数值模型,采用六面体网格划分计算域,选用SST湍流模型封闭雷诺时均方程.通过周向动能与轴向动能的比值来评估导叶的整流效果,分析喷口直径和导叶轴面形状对喷水推进泵性能的影响规律.结果表明:三维反设计方法和CFD可在喷水推进泵导叶设计中发挥重要作用,导叶经优化设计后可使喷水推进泵推力提高约5%.     

喷水推进轴流泵与导管桨

对喷水推进轴流泵与导流管螺旋桨(简称导管桨),从结构特点、功能效果、性能参数、设计要求等方面进行了分析比较,论证导管桨就是高比转速喷水推进轴流泵.同时指出,借鉴喷水推进轴流泵的设计思路,可进一步完善导管桨的设计方法.     

船后喷水推进器水下辐射噪声源脉动流场的数值计算

为避免尺度效应对噪声性能的影响,文章研究探索了在实尺度条件下装船后喷水推进器噪声声源的数值计算方法。首先,基于分离涡模型对国外某喷水推进泵内部非定常流场进行了数值模拟,将计算得到的不同转速下泵的功率值与厂商提供数据进行对比,最大误差在2.0%以内,验证了数值计算方法的准确性和有效性。其次,完成了实尺度条件下某"船体+喷水推进泵+进水流道"系统带自由液面的非定常流场的数值计算。提取了实船条件下喷水推进器流道进口处的不均匀速度场,将其加载到单个喷水推进器数值计算模型的进口边界。进而,采用分离涡模型对该船后"喷水推进泵+进水流道"内部非定常流场脉动压力进行数值计算,分析了各个特征截面压力脉动的频域特性,为下一步准确计算喷水推进器噪声提供了有效的脉动流场信息。     

Verification and validation study of URANS simulations for an axial waterjet propelled large high-speed ship

The accurate prediction of waterjet propulsion using computational fluid dynamics (CFD) is of interest for performance analyses of existing waterjet designs as well as for improvement and design optimization of new waterjet propulsion systems for high-speed marine vehicles. The present work is performed for three main purposes: (1) to investigate the capability of a URANS flow solver, CFDSHIP-IOWA, for the accurate simulation of waterjet propelled ships, including waterjet–hull interactions; (2) to carry out detailed verification and validation (V&V) analysis; and (3) to identify optimization opportunities for intake duct shape design. A concentrated effort is applied to V&V work and performance analysis of waterjet propelled simulations which form the focus of this paper. The joint high speed sealift design (JHSS), which is a design concept for very large high-speed ships operating at transit speeds of at least 36 knots using four axial flow waterjets, is selected as the initial geometry for the current work and subsequent optimization study. For self-propelled simulations, the ship accelerates until the resistance equals the prescribed thrust and added tow force, and converges to the self propulsion point (SPP). Quantitative V&V studies are performed on both barehull and waterjet appended designs, with corresponding experimental fluid dynamics (EFD) data from 1/34 scale model testing. Uncertainty assessments are performed on iterative convergence and grid size. As a result, the total resistance coefficient for the barehull case and SPP for the waterjet propelled case are validated at the average uncertainty intervals of 7.0 and 1.1%D, respectively. Predictions of CFD computations capture the general trend of resistance over the speed range of 18–42 knots, and show reasonable agreement with EFD with average errors of 1.8 and 8.0%D for the barehull and waterjet cases, respectively. Furthermore, results show that URANS is able to accurately predict the major propulsion related features such as volume flow rate, inlet wake fraction, and net jet thrust with an accuracy of ~9%D. The flow feature details inside the duct and interference of the exit jets are qualitatively well-predicted as well. It is found that there are significant losses in inlet efficiency over the speed range; hence, one objective for subsequent optimization studies could be maximizing the inlet efficiency. Overall, the V&V work indicates that the present approach is an efficient tool for predicting the performance of waterjet propelled JHSS ships and paves the way for future optimization work. The main objective of the optimization will be reduction of powering requirements by increasing the inlet efficiency through modification of intake duct shape.     

流场控制体对喷水推进器性能预报影响的研究

为准确预报喷水推进器设计工况与非设计工况的水动力性能,采用CFD方法对喷水推进器性能预报所需流场控制体进行了研究.在验证计算方法和数值模型可信的基础上,通过对比不同流场控制体的计算结果,分析了流场控制体对喷水推进器性能预报的影响.首先,确定了设计工况下流场控制体的大小;然后,对非设计工况下流场控制体的选取进行了分析讨论.结果表明,非设计工况下流场控制体的大小对喷水推进器性能预报的影响比设计工况大,而且非设计工况下所需流场控制体要大于设计工况时的情况.