半浸式螺旋桨研究综述

本文对半浸式螺旋桨的试验研究和理论研究进行了比较详细和全面的综述，半浸式螺旋桨的试验研究在早期进行得较多，一些试验方法已日趋成熟。理论方面利用常规桨较成熟的升力面，面元法预报半浸式螺旋桨的水动力性能，近几年得到了较大的发展。     

高速水面舰船多工况螺旋桨叶剖面优化设计

针对水面舰船的高、低航速多工况服役需求,通过增强桨叶剖面在低空泡数条件下的负荷和控制桨叶剖面在高空泡数条件下的流动分离,提出了一种螺旋桨叶剖面参数化构型。在此基础上建立了多工况叶剖面优化设计方法,使舰船螺旋桨在高、低航速下均能有效、经济航行。以DTMB 5415舰船螺旋桨为例,优化设计了一个叶剖面,并应用到桨叶设计。通过与常规NACA剖面桨在多工况下的对比模型试验获得验证,试验结果表明:对应20 kn航速时,两种剖面螺旋桨的水动力效率相差1.5%;在对应40 kn航速工况下优化剖面桨水动力效率比NACA剖面桨高6.4%,并避免了推力突降风险。     

复合材料螺旋桨敞水性能与结构特性研究

针对复合材料螺旋桨流固耦合效应显著的特点，本文通过CFD计算复合材料螺旋桨所受水动力载荷，应用有限元方法计算复合材料桨叶结构响应，建立双向流固耦合数值计算方法，研究不同进速系数工况下刚性和复合材料螺旋桨的水动力性能与结构特性。研究结果表明：相较于刚性螺旋桨，复合材料螺旋桨通过弯扭耦合变形实现螺距角与攻角自适应匹配，进而提高推进效率并降低功率损耗；复合材料桨叶的最大总变形和最大等效应力随来流速度的增大而减小，随旋转速度的增大而增大。基于蔡-吴准则对复合材料螺旋桨的失效行为进行判断，蔡-吴失效系数随进速系数的增大而降低，失效区域更容易出现在桨叶叶梢处。     

不同螺距拟合方式对螺旋桨优化效果的影响分析

螺距是船用螺旋桨桨叶重要的几何参数,对螺旋桨水动力性能的影响较大。在螺旋桨优化设计过程中,不同的螺距拟合方式不仅得到的螺旋桨桨叶几何形状的光顺程度不同,而且优化效果也不同。本文以DTRC438X系列桨为母型,结合粒子群优化算法和螺旋桨水动力性能的面元法理论预报程序,以提高螺旋桨敞水效率和限定推力系数值为目标,分别采用B样条曲线和贝塞尔函数拟合螺距方法进行螺旋桨各剖面螺距(桨叶其它参数与母型桨相同)的优化设计。对比两种方法各自优缺点,重点分析优化后螺旋桨的敞水效率、压力分布及环量分布并考虑侧斜的影响。经对计算结果分析表明:两种方法都得到了较好的优化效果,而采用B样条曲线拟合螺距方法的优化效果要优于贝塞尔函数法     

半浸式螺旋桨强度计算分析

针对半浸式螺旋桨受到交替式变化冲击载荷后引发的强度问题,以MSD 200半浸式螺旋桨推进装置为研究对象,提出了用有限元法来计算半浸式螺旋桨叶片强度的方案.首先,对半浸式螺旋桨在实际工作中所产生的不同方向的力进行分析;其次,利用PropCad软件建模后导入到Solidworks软件中进行螺旋桨强度的静力学分析,实现对半浸...     

部分浸水通气螺旋桨水动力性能

本文提供了一个计算桨轴在自由液面上方的部分浸水通气螺旋桨水动力性能的非定常数值升力面方法。假设桨叶以高速旋转进入、离开水面,叶背充满空泡,随边后空泡腔延伸到水面。在桨叶底面布置线源和线涡,随边后空泡面上布置线源,通过满足自由液面条件,物面不可穿透条件,叶背及随边后的压力条件来确定线涡和线源的强度,并由此计算螺旋桨水动力性能。利用本方法编制的程序,计算了部分浸水通气螺旋桨的水动力性能,并和实验结果进行了比较,两者吻合较为满意。     

不同浸深比半浸式螺旋桨动态力试验研究

为了探讨半浸式螺旋桨的动态性能,利用六分力天平测量不同浸深比下半浸式螺旋桨的非定常力,分析浸深比对半浸式螺旋桨动态力的影响,并探讨半浸式螺旋桨受力在水平面和垂直平面上的方向性.试验结果表明,在合适的浸深比下,可以减小半浸式螺旋桨各分力的波动,改善半浸式螺旋桨的操纵性能.     

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.     

大侧斜螺旋桨桨叶应力分析

采用求解RANS方程的方法对某大侧斜螺旋桨敞水流场进行模拟,计算得到的推力系数与力矩系数与试验值有很好的一致性.在此基础上,将计算得到的桨叶水动力载荷、离心力载荷和重力载荷导入有限元模型,求解大侧斜螺旋桨桨叶应力场分布.根据应力场分布特点,可知:桨叶除叶根有应力集中区域外,0.5倍半径靠近随边处还存在应力集中区域;在0.5倍半径桨叶切面处,桨叶压力面应力从导边至随边递增,桨叶吸力面应力从导边至随边存在波动.     

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.     

基于侧斜的螺旋桨优化设计

螺旋桨的螺距、纵倾、侧斜、剖面参数等众多几何参数综合决定着螺旋桨的水动力性能,在进行螺旋桨优化设计的过程中,需要以这些参数为优化变量进行优化。本文以粒子群算法为工具,基于面元法理论,以侧斜为优化变量,推力系数为限制条件,敞水效率为优化目标,对螺旋桨进行优化设计。侧斜用贝塞尔曲线拟合方式进行表达,给定一定的变化范围,符合优化过程中的实际变化。对优化结果进行分析,螺旋桨敞水效率提高,同时改善了桨叶表面的压力分布,有利于延迟空泡的产生;优化桨在0-1的进速中敞水效率均比原桨提高。     

两种优化算法在螺旋桨优化设计中的应用与比较

为了获取合理且高效的船用螺旋桨,把数值优化算法引用到螺旋桨剖面设计中来。设计过程中以遗传算法和模拟退火算法为优化算法,以提高敞水效率为优化目标,通过优化算法的操作产生新翼型剖面,并结合面元法水动力性能预报程序进行原型桨与设计桨的水动力性能预报。由结果分析可知:结合优化算法的螺旋桨设计是可行的,且在算例中各算法的设置条件下,模拟退火算法无论在优化效果上还是在优化效率上都比遗传算法表现卓越。     

轮缘推进器反厚度规律桨叶的翼型对比分析

为了开发适用于轮缘推进器的无轮轴螺旋桨，以Ka4-70+19A导管螺旋桨为基础，构造了叶梢厚，叶根薄的反厚度规律桨叶，相应的桨叶翼型也进行了重新设计。根据不同的原则设计了3套桨叶翼型，使用CFX对3种桨叶进行敞水性能分析。结果表明：反厚度规律桨叶叶梢压力分布不均匀，吸力面靠近导边与随边位置出现较大面积高压区和压力最大值，压力面出现较大面积的低压区和压力最小值。Type1翼型梢部压力从导边到随边变化较大，敞水性能相对于原型桨变差；Type2桨叶能保持翼型攻角基本不变，但梢部载荷降低，敞水性能降低最多；Type3桨叶压力沿切向分布更均匀，敞水性能为三者最佳。研究结果可为RDT的反厚度螺旋桨设计提供参考。     

复合材料螺旋桨水动力特性的流固耦合数值模拟

为了分析复合材料螺旋桨变形对其水动力性能的影响,利用FLUENT和ANSYS结构模块建立了一种流固耦合的方法。基于此方法分析了桨叶变形对敞水曲线,桨叶附近流场及其表面压力的影响。研究结果表明,初始几何为无侧斜无纵倾的螺旋桨变形后纵倾发生改变,使推力和扭矩系数变大,且推力系数和扭矩系数的增值随进速系数减小而增大。变形后的螺旋桨桨叶表面压力增大,压力系数变化最大值可达40%,螺旋桨轴向诱导速度变化最大值可达18.7%。     

自由液面对螺旋桨性能的影响

本文采用涡格升力面模型,提供了一个计算自由液面下(不计吸气影响)螺旋桨水动力性能的准定常升力面方法。在桨叶拱弧面上分布离散的涡系和表征桨叶厚度的源系,其未知涡强由满足螺旋桨物面条件、线性化自由液面条件和随边Kutta条件来确定。为了便于计算,对兴波部分简化了计算模型,螺旋桨用无限叶数螺旋桨模型来代替。 利用本数值方法编制的计算机程序,计算了桨轴有限沉深下螺旋桨的水动力特性,并和实验结果进行了比较,两者吻合良好。     

基于PropCad的螺旋桨几何建模研究

为了将螺旋桨设计所得到的主要参数和水动力性能转换为螺旋桨几何模型,基于PropCad软件,对桨型、桨叶数、旋向、桨径、盘面比、螺距、后倾角、侧斜、叶剖面等诸多因素进行精确控制,以准确快捷地完成螺旋桨几何建模。研究结果表明:根据船舶参数和螺旋桨参数等建模输入,借助Prop Cad软件进行输出螺旋桨2D/3D图、桨叶切面型值表、桨叶厚度送审报告,可以精确高效地将螺旋桨设计所得到的主要参数和水动力性能转换为螺旋桨几何模型。     

冰阻塞参数对螺旋桨水动力性能影响试验研究

针对冰水混合环境下冰阻塞逼近效应对螺旋桨水动力性能影响,在空泡水筒开展了均流和冰阻塞条件下的螺旋桨模型水动力性能试验,测试了冰桨轴向、垂向间距等冰阻塞参数对不同运行工况的螺旋桨模型水动力性能影响。试验结果表明,冰阻塞物一方面改变流场特征直接影响螺旋桨模型推力和扭矩,另一方面改变桨叶的空泡特性进而影响水动力性能。在无空化状态,随着垂向和轴向阻塞逼近程度的加深,在冰阻塞环境螺旋桨模型推力系数相比于均流可产生40%和20%的增加;而在桨叶严重空泡的重载状态,螺旋桨水动力随冰桨间距的变化不明显,桨叶的空泡效应减缓了冰阻塞效应的影响程度。     

基于流固耦合相互作用的复合材料螺旋桨性能研究

开展复合材料螺旋桨流固耦合相互作用分析,为复合材料螺旋桨设计提供思路,有利于进一步提高螺旋桨的性能。文章进行了螺旋桨二维弹性剖面静力学分析,进而对不同几何复合材料桨叶的流固耦合作用特性做了数值计算比较研究,在此基础上,通过与对应的刚性螺旋桨的比较计算分析,研究了在多工况下的复合材料螺旋桨水动力性能影响,探索了在来流变化过程中复合材料螺旋桨的振动性能。文中研究得出了一些有意义的结论,为复合材料螺旋桨设计及应用奠定了基础。     

DOE方法在螺旋桨几何参数优选中的应用

螺旋桨的几何外形是通过螺距、纵倾、侧斜、拱度、弦长、桨叶剖面等几何参数来表达的,这些几何参数影响着整个螺旋桨的水动力、噪声、空泡、振动等性能。定量地给出不同半径处各个几何参数对螺旋桨性能的影响,对螺旋桨的设计有重要的指导意义。论文采用试验设计(Design of Experiment,DOE)的拉丁超立方设计方法,结合螺旋桨定常水动力性能的面元理论预报程序,分别定量地研究了不同半径处的螺距以及盘面比与0.4、0.7、1.0半径处的纵倾、螺距、侧斜对敞水螺旋桨推力系数和敞水效率的影响;同时,结合螺旋桨非定常水动力性能的面元理论预报程序及傅里叶分析方法,定量研究了不同半径处侧斜以及0.5、0.8、1.0半径处的螺距、纵倾、侧斜对螺旋桨主桨叶在给定伴流场中非定常推力的影响。研究结果表明:DOE方法能够准确分析不同径向处的几何参数对定常和非定常螺旋桨性能的影响程度。