无轴轮缘推进器流热耦合研究

无轴轮缘推进器将永磁电机与螺旋桨集成一体，螺旋桨旋转时对电机电磁损耗与流场换热特性产生影响，进而改变各部分的温度分布。采用有限元法（FEM）计算推进电机的电磁损耗，采用有限体积法（FVM）建立流体场和温度场仿真模型，对推进器的电磁-流-热耦合问题进行仿真分析。通过对比仿真和试验结果，验证了流热耦合仿真方法的有效性。在此基础上，推导了螺旋桨转速与集成电机的损耗关系，并利用仿真模型分析了在不同进速系数、不同转速、不同间隙下推进器电磁损耗及流体场对推进器散热的耦合影响。结果表明，外域水流对推进器的温升影响较小，当间隙流速达到一定程度时散热减缓；推进器螺旋桨转速与集成电机电磁损耗存在幂次方关系；推进器主要靠间隙流体的流动带走热量，间隙大小会影响推进器散热，应合理选择推进器间隙尺寸。     

波浪推进艇的集成电机推进器设计及航速预报

为了给现有的波浪推进无人艇研制辅助动力装置,对有桨轴型集成电机推进器进行了相关的设计,包括电机设计、水动力性能和桨叶结构强度计算.首先进行电机的设计和螺旋桨的选型,并通过流固耦合方法对集成电机推进器周围的流场和桨叶应力场进行了计算.然后使用Star ccm+重叠网格法计算了水翼抬离水面工况无人艇模型的静水阻力,并与拖曳试验结果进行比较,验证了CFD计算方法的可行性.最后使用体积力法替代螺旋桨的作用,对安装了首固定水平翼和一个集成电机推进器的波浪推进无人艇在静水和迎浪规则波中航行时的航速进行了预报.     

螺旋桨负载下的全回转电力推进器动力学特性

为研究全回转电力推进器控制系统的动力学响应特性,建立一种变频器控制异步交流电机驱动螺旋桨动力学系统的数学模型,提出一种考虑螺旋桨动态负载特性的电机转速、螺旋桨转速、转矩、推力的迭代求解方法,构建考虑螺旋桨负载下的全回转电力推进器的动力学仿真模型。通过数值仿真,分析螺旋桨进速不变和变化,以及不同期望转速下的电机及螺旋桨负载的动态响应变化过程和特点。结果表明,建立的动力学仿真模型与实际运动情况相符;推力系数和转矩系数随进速的增加而减小,转速几乎不会发生变化,推力有明显下降;期望转速越低时,异步电机转速、螺旋桨转速和输出推力上升速率越快。同时,在进速增加时,推力下降的范围越小。因此,须合理考虑进速系数对于全回转电力推进器的控制和推力分配的影响。这种考虑螺旋桨负载下的全回转电力推进器的建模方法对于全回转推进器电力控制、船舶动力定位方法和推力分配策略的研究具有一定的工程价值和指导意义。     

无人艇集成电机推进器设计及流体动力数值仿真

为了给现有水面无人艇提供可靠和具有经济性的动力来源,设计一种集成电机推进器来替代传统推进器。该推进器采用永磁无刷直流电机设计,是吊舱推进器和导管螺旋桨的集合。分别采用Ansoft Maxwell上的RMxprt模块对电机进行参数化设计,通过移动参考系法(MRF)和滑移网格法(RBM)对集成电机推进器的流场进行仿真。计算结果表明,采用多极数和多槽数电机设计的有桨毂型集成电机推进器具有更低成本和可行性;由于其不存在叶梢间隙,相比于采用相同螺旋桨的导管桨轴向诱导速度偏低,推力和效率不如导管桨。     

与粘流耦合的导管螺旋桨升力面设计方法

针对导管螺旋桨这类组合式推进器的设计问题,采用了粘流CFD与传统的势流升力面设计相耦合的方法来计算,以此来考虑船体及其附体与推进器的相互作用,以及流场粘性的影响,解决设计所需的实效进流场的问题,并采用此方法作了导管螺旋桨的设计和模型试验.     

螺旋桨流固耦合多目标优化设计

本文提出将NSGA-Ⅱ多目标优化算法应用于螺旋桨多目标优化设计,并通过面元法和有限元法实现螺旋桨流固弱耦合.通过计算安装在Seiun-Maru(一艘日本散货船)上的HPS大侧斜螺旋桨压力系数分布和压力脉动,考虑了流固耦合效应的计算精度要高于不考虑流固耦合效应,验证了考虑流固耦合的必要性.本文以螺旋桨效率、非定常力和重量作为目标函数,在满足水动力性能、结构响应和空泡性能等约束条件下,选取描述螺旋桨外形的6个参数作为设计变量,以此建立优化函数.在不同近似最优解和非设计点为初值的算例中,其结果均改善了所有目标函数,验证了本文方法的有效性、适用性和鲁棒性.本文提出的多目标优化方法将有助于提高设计效率,节省计算资源,可成为未来螺旋桨设计的有效工具.     

轮缘驱动无轴推进器冷却方案设计与多物理场耦合计算

针对轮缘驱动无轴推进器中集成化永磁电机的散热问题,设计了自然循环的海水冷方案,即在无轴推进器桨叶的前、后端开槽,并与电机定、转子间的气隙连通,形成闭合的、与推进器进出流方向相反的自然水循环通道,冷却通道的流量由推进器桨叶前后截面的压力差、气隙的高度等参数决定。文章基于有限元方法计算了永磁推进电机的电磁性能,并采用有限体积法对轮缘驱动式集成化永磁电机推进器的冷却方案进行了电磁场、温度场与流场的耦合计算,校验了集成化永磁推进电机冷却方案的有效性。     

无轴轮缘推进器中可拆卸螺旋桨的性能分析

应用FLUENT数值模拟软件对无轴轮缘推进器螺旋桨进行水动力分析,根据实际运行工况需求确定数值模拟的基本方程、湍流模型、初始条件、边界条件、流体域以及网格划分等参数,建立相关数值模拟模型,计算出不同桨叶数目的螺旋桨在一定进速条件下的桨叶压力分布状况及螺旋桨推力与扭矩,并与常用经验公式计算结果进行比较,验证了无轴轮缘推进器螺旋桨有限体积元模型的正确性。研究结果可为该类型螺旋桨的优化设计提供理论支持。     

扭矩平衡式水下机器人推进器研究

某些水下机器人横向尺度较小,往往与其主推螺旋桨直径处于同一量级;螺旋桨旋转所带来的扭矩会使机器人产生明显的横倾;所以,在水下机器人的推进器设计过程中就必须考虑保持机器人的纵向稳定性.该文就此问题提出了一种集成式扭矩平衡推进器,该推进器利用与保护导管相连的后置定子产生反扭矩来平衡螺旋桨旋转产生的扭矩,导管、导管支架、定子与驱动主机集成为一体,推进器整体无扭矩输出,通用性强.此后给出了推进器的理论设计方法及过程,应用面元法理论对所设计推进器进行了水动力性能计算分析.最后讨论了定子各参数对推进器性能的影响.     

串列式吊舱推进器操舵工况水动力试验研究

  目的  为研究邮轮吊舱推进器组合式水力组件与其敞水性能间的相互映射关系,提出基于雷诺平均纳维−斯托克斯（RANS）方程的吊舱推进器水动力性能预报方法。  方法  以邮轮吊舱推进器缩比模型为研究对象,在深水拖曳水池中开展推进器敞水性能试验,对预报方法进行精度验证。通过仿真计算,分析吊舱推进器舱体形状、螺旋桨盘面比和桨叶数对吊舱推进器水动力性能的影响规律。  结果  结果表明：舱体形状对推进器敞水性能的影响较小;提高螺旋桨盘面比时,推进器的推力系数和敞水效率均先增后减,而转矩系数则在一定范围内随之增加;增加螺旋桨叶数时,推进器的推力系数、转矩系数和敞水效率均先增加后减小,而桨叶数对低进速系数下吊舱推进器敞水效率的影响较小。  结论  研究成果可为吊舱推进器的优化设计提供参考。