基于体积力法的半悬挂舵和全悬挂舵回转性对比

针对半悬挂舵和全悬挂舵回转性能差异问题,建立用于模拟螺旋桨推力的体积力模型,评估两种不同形式舵的回转性。对标模KCS船型回转运动进行计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）模拟,船后螺旋桨作用使用体积力模型替代。开展半悬挂舵回转性CFD模拟,并与试验结果对比验证。设计全悬挂舵并模拟其回转性,与半悬挂舵回转性进行比较。结果显示,半悬挂舵除战术直径与试验结果相差9.48%外,其他回转特性参数与试验结果相差均在3%以内,说明基于体积力法模拟回转性具有较高的可信度。全悬挂舵的回转特性参数均优于半悬挂舵,说明全悬挂舵的回转性能更佳。     

反应舵在螺旋桨尾流中的水动力性能

本文对反应舵在螺旋桨尾流中的水动力性能及桨舵干扰进行了研究。舵的水动力及周围流场用面元法计算，螺旋桨性能用无限叶数的简易螺旋桨理论预估。桨舵干扰作用以迭代方法求得。采用面元法计算反应舵的性能，可以更精确地反映较复杂的反应舵表面形状对水动力性能的影响。通过计算得到的舵表面压力分布可看出反应舵节能的原因。本文还对反应舵的操纵性能进行了计算和研讨。     

螺旋桨横向力——直航状态

单桨单舵船在直航时,螺旋桨横向力是船舶破坏自身直航运动的扰动力。为此,需不断压舵来克服此扰动力,以保持船舶的航向。显然,它将带来能源的消耗。为了考察影响螺旋桨横向力诸因素,作者就船桨舵的不同组合,计及各种浸深比,对直航正舵状态螺旋桨横向力进行了探索性的试验研究。根据试验结果的探讨,作出了有关要素的定性分析,并提出用不同装载和吃水差状态船舶在直航正舵时的横向力推力比,作为船舶直航性能优化设计的衡准和船舶操纵的指导。为了给定衡准值的数值范围,尚需对船舶直航时船桨舵的横向力作系统的理论和实验研究。同时,其研究成果将有利于提高自动舵的功能。直航性能的优劣,可用约束模试验加以鉴别。     

潜艇伴流场对螺旋桨激振力的影响北大核心CSCD

[目的]潜艇附体结构会显著影响桨盘面处的伴流场,进而影响螺旋桨的激振力特性。掌握伴流场特性对激振力的影响规律有助于潜艇和螺旋桨低激振设计。[方法]基于Suboff潜艇模型和INSEAN E1619螺旋桨,采用RANS方法对不同附体伴流场下艇后螺旋桨的激振力进行数值模拟,并使用谐调分析方法对桨盘面处伴流场进行定量表征,然后再结合螺旋桨瞬态流场的分布特性,揭示线谱激振力的产生机理。[结果]结果显示,伴流场谐调分量各阶数的分布情况与单叶片激振力线谱的分布一致,且单叶片激振力主频处的相对幅值与七叶片螺旋桨基本相等;周向对称的艉舵对伴流场谐调分量的影响主要集中在4阶和8阶,对七叶螺旋桨激振力的影响较小;围壳影响伴流场各阶的谐调分量,对七叶螺旋桨激振力起主要作用。[结论]艉舵对激振力的影响小于围壳,为改善螺旋桨激振力特性,应重点对潜艇围壳进行优化。     

舵对螺旋桨线谱噪声的影响

为比较不同舵形状时潜艇螺旋桨的线谱噪声变化规律,建立非均匀流场中螺旋桨线谱噪声的频域预报方法,通过CFD方法数值模拟X形舵和十字舵潜艇的非均匀速度场,对两种流场条件下七叶侧斜桨的辐射线谱噪声进行数值预报。结果表明,X形舵潜艇所产生的线谱噪声幅值比十字舵时要大,尤其体现在高阶叶频处。     

浅水效应对螺旋桨轴承力的影响分析

为了分析浅水条件对螺旋桨轴承力的影响,本文采用RANS方法和VOF模型,对计及自由液面的KCS船桨舵一体系统开展了不同吃水条件下螺旋桨非定常轴承力的数值预报分析。首先计算了深水(h/T=20)工况下的螺旋桨轴承力,通过与试验结果对比,验证了网格划分方法和计算方法的可行性。然后在此基础上进行了不同吃水工况下螺旋桨非定常力计算,监测发现螺旋桨非定常轴承力随时间周期性脉动,浅水条件下螺旋桨轴承力时均值明显大于深水工况。经快速傅里叶变换得到轴承力脉动幅值,分析得出:当h/T<3时,脉动幅值随水深增加迅速减小;当h/T>3时,水深变化对脉动幅值影响较小。     

扭曲舵水动力数值计算和自航约束模试验测量研究

建立了桨后舵水动力的CFD数值计算方法,对两种舵的压力分布和舵力进行了比较,结果显示扭曲舵可以明显减小0°舵角时舵上的横向力和舵轴扭矩。在拖曳水池中进行了自航约束模舵力测量试验,对扭曲舵和普通舵的舵力进行了测量,试验结果也表明,在0°舵角时,扭曲舵上的受力状态得到明显改善。将舵力的数值计算结果与试验结果进行比较,两者有较好的一致性,说明建立的数值计算方法可以对桨后舵舵力进行较好的模拟计算。     

渔船桨-舵球组合系统节能效果数值分析

考虑将有节能效果的舵球应用于渔船,采用计算流体力学软件STAR-CCM+对39.8 m远洋围网渔船舵桨进行舵球应用数值模拟,由推进效率、螺旋桨表面的压力分布及流场对比不同直径舵球及与螺旋桨桨毂距离组合方案下螺旋桨的敞水性能差异;分析发现对于航速较高的远洋渔船采用合适的舵球可以改善螺旋桨尾部流场分布,降低其尾流旋涡的强度,提高螺旋桨推进效率,达到一定的节能效果。     

扭曲舵+舵球节能效果数值模拟

基于计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD),对1艘海上油田环保作业船自航进行数值模拟,从推进效率和流动细节上对比分析平板舵方案和扭曲舵+舵球组合方案的差异。计算采用RANS方法结合滑移网格法处理螺旋桨旋转运动,数值模拟得到的转速、推力和扭矩与试验数据吻合较好。计算结果显示:采用扭曲舵+舵球方案可降低螺旋桨尾流区旋涡强度,减小舵导边附近的高压区,提高推进效率。     

船桨舵间距对推进效率影响的试验与数值研究

为了实现节能减排,需要使用各种手段降低船舶阻力和提高螺旋桨推进效率,论文基于一型支线型集装箱船开展快速性模型试验和数值模拟,探讨船体、螺旋桨和舵三者间距变化对推进效率的影响。研究结果表明,减少螺旋桨与舵的间距有利于提高螺旋桨推进效率;整体往后移动螺旋桨和舵也有利于提高螺旋桨推进效率。数值模拟结果与模型试验结果在应用方案的比较上两者具有良好的一致性。因此数值模拟可作为模型试验的补充,有利于捕捉更佳的布置方案。     

导管舵性能分析与舵力计算

导管舵能为船舶提供良好的回转性,被广泛应用于对操纵性要求高的船舶或者舵系布置空间紧张的船舶,然而其舵力计算有别于常规舵。采用Fluent软件分析了导管舵的敞水性能,求出其升力系数曲线和力矩系数曲线并分析其表面压力分布特点。考虑船体伴流和螺旋桨尾流的影响,进行了导管舵的舵力和舵机扭矩计算,为舵的设计奠定基础。基于CFD软件和理想推进器理论求舵力的方法可为非常规舵的设计提供参考。     

一种改进诱导因子计算方法的叶素动量理论体积力模型

叶素动量理论体积力模型作为能够替代真实螺旋桨的一种体积力形式,在模拟螺旋桨以及船桨相互作用问题中具有较大的应用潜力。为了处理基于理想流体假设的传统叶素动量理论在与粘性求解器耦合过程中不能在较大工况范围内准确代表真实螺旋桨模型的问题,本文提出一种基于真实螺旋桨诱导因子分布的改进方法,并进行KP505螺旋桨体积力模型在J=0.4～0.8五种进速条件下的敞水试验模拟。本文将敞水性能、桨载荷分布与诱导速度场的体积力模拟结果与真实螺旋桨模型进行了对比,结果表明改进后的体积力模型预报敞水性能误差在各进速下最大值为1.05%,且体积力模型诱导速度场可以反映真实螺旋桨尾流的动量输运。     

十字形和X形艉舵航行体的水动力特性对比

[目的]对于水下航行体的艉布局而言,相较十字形艉布局,X形艉布局具有不超宽、降低舵卡严重后果等优点。由于X形艉布局及其操纵较为特殊,其水动力特性与十字形不同。以SUBOFF为原型,通过数值计算对比十字形和X形艉布局航行体的操纵性水动力特性。[方法]首先,对比十字形艉布局线性水动力的数值计算与模型试验数据,确定数值计算的网格参数;其次,对全动舵面积相同的X形艉布局航行体线性水动力进行预报,并与十字形艉布局进行对比;最后,采用体积力模拟螺旋桨抽吸,对比研究两方案操纵性水动力特性的差异。[结果]结果表明:在相同全动舵面积下,相较十字形艉,X形艉布局航行体水平面静不稳定系数略小,垂直面静不稳定系数略大;受相邻两舵干扰影响,X形航行体垂直面、水平面舵力特性具有较为明显的不对称性,舵导数减小约27%;抽吸显著改变了十字形和X形艉布局航行体的水动力,舵导数增大约15%～18%。[结论]研究成果可为水下航行体操纵性设计提供一定的借鉴。     

舵空化的精细流场及其非定常水动力性能数值计算

[目的]为深入研究舵空化时的精细流场及其非定常水动力性能的相关规律,[方法]针对某型船的桨、舵模型进行建模,采用结构化网格、SST k-ω湍流模型和流体体积(VOF)方法对舵空泡进行计算。针对舵空泡问题进行实船观测试验,将舵空泡的计算结果与实船舵空泡的观测结果进行对比,验证数值方法的可靠性。对舵空泡的周期性变化进行探讨和分析,并基于空化和非空化2种状态对3种舵角下的舵空泡进行计算。[结果]结果显示,当空化范围较小时,空化对舵力时均值的影响较小,随着空化范围的增加,空化对舵力时均值的影响明显变大,尤其是舵效显著降低;一旦发生空化,舵非定常力的脉动幅值将大幅增加,且空化范围越大,舵非定常力的脉动幅值越大。[结论]研究结果可为评估空化发生后舵的水动力性能及舵的优化设计提供技术支撑。     

桨后舵附推力鳍理论计算

螺旋桨与舵附推力鳍,分别采用升力面法和基于速度势的面元法计算,两者之间的相互干扰采用迭代计算。在计算面元的影响系数时,应用了Morino导出的解析计算公式,以加快数值的计算速度。分析了不同螺旋桨尾涡模型对舵附推力鳍水动力性能的影响,并提出一种新的螺旋桨尾涡模型。计算了加装舵附推力鳍之后螺旋桨尾流场周向诱导速度沿径向的分布。对影响推力鳍助推效率的几个主要参数进行了变尺度研究。     

关于单螺旋桨潜艇的倒车偏航分析

本文基于对艇体和螺旋桨在潜艇倒航时所受的水动力分析,阐明了单螺旋桨潜艇后退时所受到的偏航力以及方向舵舵效降低的原因,提出了相应的控制的方法。     

随浪规则波中ONR内倾船纯稳性丧失黏流模拟方法研究

纯稳性丧失作为5种典型的船舶在波浪中运动失稳的模式之一，是波峰位于船舯时复原力显著减小而导致船舶大幅横摇甚至倾覆的运动失稳现象。论文采用STAR-CCM+商业软件，模拟全附体ONR内倾船在随浪下的纯稳性丧失现象。数值模拟中采用重叠网格技术实现船-桨-舵耦合的多体运动求解，通过速度边界条件进行造波，采用欧拉叠加模型进行消波，考虑了实船螺旋桨的旋转因素，对舵进行自动控制来实现航向的稳定。模拟了ONR内倾船在不同航速下发生纯稳性丧失导致大幅横摇甚至倾覆的过程，并与试验结果进行了对比，最大横摇幅值的计算值与试验值趋势一致。分析了在不同航速下舭龙骨、桨、舵等附体力和力矩的变化。论文建立的CFD数值模拟方法，为更加细致地分析波浪中纯稳性丧失的运动现象提供了技术支撑，为后续势流方法中的螺旋桨、舵等附体力学模型的改进提供了参考。     

单桨双舵系统水动力性能数值模拟研究

采用结构和非结构网格结合的方法,运用滑移网格技术对单桨双舵系统周围的流动进行了数值模拟。着重考察了桨一舵系统的水动力性能计算,得到了用以评价桨推进、舵操纵的水动力性能的数据。同时,文中还对单桨双舵系统周围的流场进行了分析。数值计算的结果与试验结果吻合良好,验证了文中方法对于桨舵干扰水动力性能模拟的叮谨性。     

时域螺旋桨空泡噪声的球空泡脉动体积方法

采用球形体积方法对时域螺旋桨空泡噪声进行了数值计算,并与另外2种方法进行了比较。首先提出单极子模型计算螺旋桨空泡噪声的可行性;其次应用面元法计算出满足螺旋桨水动力学条件以及空泡动力学条件的螺旋桨空泡形状;最后结合Lighthill方程在特殊情况下的解将空泡体积脉动转换为螺旋桨空泡噪声。     

螺旋桨-舵-舵球推进组合体水动力性能的计算与仿真研究

建立了螺旋桨-舵-舵球推进组合体水动力性能的计算机仿真系统.系统研究了螺旋桨-舵-舵球推进组合体水动力性能的计算方法,建立了相关的仿真数学模型.模型中螺旋桨的水动力性能采用升力面理论涡格法计算,桨毂的影响采用Hess-Smith面元法计算.将舵及舵球的诱导速度作为对桨及桨毂进流的修正,以考查舵及舵球的影响.舵与舵球水动力的计算采用以速度势定义的面元法.在此基础上,进行系统功能设计,编制了计算机仿真系统.应用此软件设计了四种舵球方案,并进行了相应方案螺旋桨的定常水动力性能的计算对比分析.仿真计算表明,设计的舵球方案可有效地提高螺旋桨的水动力性能.其中不对称型舵球方案在实船对比测试中获得了节能5.1%,提高主机功率储备5%以上的效果.