空泡下双向冰级桨水动力性能试验研究

针对空泡效应对双向冰级螺旋桨的正车性能和倒车性能的影响,本文采用螺旋桨模型空泡水筒试验方法,探讨均流环境中空泡数和进速系数对螺旋桨正车和倒车水动力影响,以及在冰阻塞环境中空泡数、进速系数和冰-桨距离对螺旋桨正车和倒车水动力性能影响。研究结果表明：均匀流环境中定水速变转速,严重的空化现象对推力和扭矩的削减大于由螺旋桨转速增加而增加的推力和扭矩;冰阻塞环境中定转速变水速,螺旋桨推力和扭矩受到冰阻塞和空泡共同作用,当空化严重时,推力和扭矩不再随阻塞距离的减小而增加;本双向螺旋桨的倒车性能要比正车性能差,进速系数越大,性能差越大,均匀流中进速系数为0.7时,推力系数的差值在80%左右;冰阻塞中随着冰-桨距离的增加,水动力差值随之增加,但增加幅值较小;空泡不断地在桨叶生成,并在与桨叶分离时快速溃灭,随着冰-桨距离的减小,近冰桨叶表面空化现象越严重,空泡发生面积越大,且空泡形状越不规则。     

冰对螺旋桨水动力性能影响的试验研究

为了探究螺旋桨-冰相互作用过程中螺旋桨水动力性能的变化,研究了非冻结模型冰在轴向运动时螺旋桨推力和扭矩随螺旋桨-冰之间距离以及螺旋桨不同进速系数的变化规律,以及非冻结模型冰在横向和垂向运动时螺旋桨推力和扭矩的变化规律。试验结果表明,螺旋桨在阻塞状态下推力和扭矩的值与敞水实验值相比显著增加;螺旋桨推力和扭矩随螺旋桨-冰之间距离的减小,先逐渐增加后增加值不稳定;非冻结模型冰在横向运动时螺旋桨推力不变,扭矩表现为在横向右端时最大;非冻结模型冰沿垂向运动时越往下运动螺旋桨推力和扭矩越大;区分了非冻结模型冰极端尾涡和螺旋桨-冰之间距离对螺旋桨水动力性能的影响。文中的试验设计和相关结论对于螺旋桨-冰相互作用的进一步研究有着一定的指导意义。     

冰阻塞对倒车螺旋桨空化和水动力性能的影响

针对极地船舶在冰区航行时空泡对螺旋桨倒车性能的影响,采用敞水螺旋桨模型试验和基于RANS黏流CFD数值模拟的方法,开展双向破冰船螺旋桨在冰阻塞环境下倒车性能研究。研究结果表明,在空泡数σ为4.0和1.5,冰-桨距离L/D从0.7减小到0.3时,推力系数和扭矩系数呈现先增加后减小的趋势,空泡覆盖面积增加。在进速系数J=0.55、空泡数σ=1.5时,螺旋桨倒车性能最差。对于这一工况,当冰-桨距离L/D从0.7减小到0.3时,推力系数从0.141增加到0.147,然后减小到0.137,扭矩系数从0.023 1增加到0.023 9,然后减小到0.022 8;冰-桨距离L/D=0.3时近冰块桨叶吸力面上空泡覆盖面积约为L/D=0.7时的3倍,螺旋桨尾流在冰阻塞影响下偏转了14°。这项研究可为极地船舶冰区螺旋桨设计提供技术支持。     

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。     

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。     

拖式吊舱推进器的水动力特性分析

拖式吊舱推进器的螺旋桨与吊舱之间干扰剧烈,流动现象较为复杂,为研究拖式吊舱推进器的水动力特性,基于粘性理论,滑移网格技术,借助商用流体计算软件FINE/Marine,分别完成了三维实尺度的裸桨及吊舱推进器的敞水性能数值模拟。着重在吊舱对螺旋桨水动力性能的影响、吊舱侧向受力、吊舱表面压力和周围流场速度分布方面进行了分析。结果表明,由于吊舱的存在,螺旋桨的推力扭矩均有所提升,但是整体推进器的效率没有明显改善,反而使螺旋桨推力波动增大;吊舱在螺旋桨尾流影响下会产生额外的侧向力。     

空泡效应对冰阻塞环境下的螺旋桨性能影响研究

针对空泡效应对冰区船舶螺旋桨在冰阻塞环境下的推进性能影响,在空泡水筒开展了均流和冰阻塞环境不同空泡数下的螺旋桨模型水动力性能对比试验。试验结果表明空泡效应减缓了冰阻塞环境下螺旋桨推力均值上升的程度,加剧了非定常变化的幅度;冰阻塞环境螺旋桨受空泡影响发生推力突降的运行工况要早于均流环境。采用CFD方法对冰阻塞环境下的螺旋桨模型水动力和空泡特性进行了数值模拟,冰阻塞典型工况的螺旋桨模型水动力性能计算结果与模型试验结果误差在5%以内,在相同工况下桨叶表面的空泡形态模拟结果与模型试验基本一致,表明本文冰阻塞环境螺旋桨水动力和空泡性能的数值模拟方法具有较高计算精度。     

非冻结模型冰-螺旋桨切削状态的试验研究

冰-螺旋桨的切削过程十分复杂，如何精确掌握冰桨作用模式和揭示冰桨作用机理对冰区螺旋桨理论研究和设计极其重要。本文介绍了利用冰桨切削试验平台开展的不同冰材料、螺旋桨尺度、切削深度、冰推送速度及螺旋桨转速时的冰桨切削试验研究，以及对螺旋桨冰载荷、遮蔽效应和冰桨作用模式进行的测量和分析。试验结果表明：通过高速摄像机对冰桨切削过程的捕捉证明了桨叶遮蔽效应的存在；相同切削深度时，螺旋桨尺度越大，桨叶受到的遮蔽效应越严重；冰桨切削深度越深，桨叶受到的遮蔽效应越严重，且螺旋桨中受到遮蔽效应的桨叶也越多；随着冰块推送速度的增加，模型冰的破坏模式由剪切断裂破坏逐渐向局部挤压破坏和剪切断裂破坏转变；极地船舶破冰航行过程中，可适当地提高螺旋桨转速，以减小螺旋桨受到的冰载荷，提高破冰能力。     

冰阻塞环境对螺旋桨水动力和空泡影响试验研究

为了探究阻塞环境对冰区桨水动力和空泡特性的影响,辅助冰区螺旋桨的优化设计,本文在大型循环水槽中搭建冰阻塞环境下螺旋桨水动力性能和空泡特性的测试平台,测量和观察常压和减压状态下不同冰桨阻塞参数时螺旋桨及单桨叶的水动力载荷和空泡形态。试验结果表明：冰阻塞条件下的螺旋桨水动力性能是由冰桨阻塞参数、空泡环境和螺旋桨运行工况综合作用的结果,在冰块阻塞效应和邻近效应、螺旋桨抽吸作用、冰块周围回流区以及“皮鲁埃特效应”综合影响作用下冰块和螺旋桨之间会诱发连体涡空泡并导致螺旋桨水动力性能剧烈波动。     

混合对转推进系统水动力性征数值研究

[目的]为研究混合对转推进系统的推进性能,[方法]采用滑移网格方法,分别对螺旋桨、吊舱推进器、混合对转推进系统的水动力性征进行数值模拟,分析混合对转推进系统中各推进成分相对于其单独工作时的水动力性征差异,研究混合对转推进系统中各部分之间的相互影响规律。[结果]结果表明:在混合对转推进系统中,后桨对前桨的抽吸作用导致前桨推力系数、转矩系数、敞水效率随进速系数的减小而减小,与单独螺旋桨的变化趋势不同;吊舱和桨毂的阻塞效应以及前桨非定常尾流对后桨的干扰作用,导致后桨推力系数、转矩系数及敞水效率与单独吊舱推进器的结果不同;混合对转推进系统效率低于单独螺旋桨,未能体现后桨对前桨尾流的吸能作用,因此在混合对转推进系统的设计研究工作中,需要进一步考虑前、后桨几何参数的匹配问题。[结论]研究结果可为混合对转推进系统的优化设计和工程应用提供参考。     

吊柱干涉作用下吊舱推进器的激振力特性

为了探究螺旋桨与吊柱干涉作用下的吊舱推进器激振力特性，采用延迟分离涡模拟方法，开展均匀来流下吊舱推进器非定常敞水数值模拟，获得0.60、0.82和1.00等3种进速系数下螺旋桨推力、扭矩及吊舱表面压力脉动特性。结果表明：均匀来流下受吊舱体作用，在吊柱前方产生局部高伴流区，使叶片周期性扫掠吊柱前方流场时发生叶面短暂压升，从而诱导轴向力及扭矩脉动，其特征频率主要为叶频；吊舱左右两侧表面压力脉动呈现非对称性，左侧与右侧对称测点压力差值为10%～20%；舱体前缘至后缘表面压力呈现先减后增趋势，主要特征频率为轴频及叶频；部分测点还捕捉到4倍轴频，可能与吊舱表面二次涡结构有关。     

带有推力鳍的吊舱推进器水动力性能研究

本文使用FLUENT软件对拖式吊舱推进器的水动力性能进行分析。由于涉及到螺旋桨、桨毂和舱体、支架的相互干扰问题,本文采用多参考系模型来进行相互干扰平均效果的计算。本文计算不同进速系数下普通吊舱推进器的推力系数、扭矩系数,与实验数据进行对比,并绘制敞水性能曲线。同时提出了几种带有推力鳍的吊舱推进器,对其进行了水动力性能计算,并与普通吊舱推进器的水动力性能进行比较,本文最后分析推力鳍对吊舱推进器水动力性能的影响。     

导管螺旋桨水动力学性能的影响因素

为了获取导管螺旋桨水动力性能的主要影响因素,指导导管螺旋桨的优化设计,采用计算流体力学CFD对Ka4-7010+19A导管螺旋桨进行水动力性能研究,分析不同导管长度、导管攻角、螺旋桨纵倾角及多导管组对其水动力特性的影响。结果表明：减少导管长度将使推力系数及扭矩系数同时增大,而敞水效率下降;适当增加导管长度可以略微提高其敞水性能;减小导管攻角在一定进速范围内使推力系数和扭矩系数同时大幅度增加,增加导管攻角将导致推力系数和扭矩系数同时下降;当螺旋桨纵倾角保持在10°以内时,不会对敞水性能产生太大影响。对于多导管螺旋桨而言,前置、后置及不同附属导管直径大小都对敞水性能有很大影响,其中后置大导管组螺旋桨能明显降低螺旋桨扭矩系数,并且能在低进速范围内提升敞水效率。研究成果可支撑导管螺旋桨的优化设计。     

基于响应面法的螺旋桨多目标优化

为了探究影响螺旋桨水动力性能的因素，基于FLUENT软件和CFD滑移网格技术对标准桨DTMB 4119进行模拟，验证该方法的可靠性；应用该方法对不同螺距比、盘面比和纵倾角的Wageningen B型螺旋桨进行数值模拟，得到这3个因素对螺旋桨推力系数、扭矩系数和效率的影响规律；基于Box-Behnken方法设计三因素三水平试验组，采用响应面法建立三因素与目标函数的优化数学模型，得到三因素对螺旋桨水动力性能的耦合影响。结果表明，影响推力系数和扭矩系数的因素按影响大小排序为螺距比>盘面比>纵倾角。同时，在现有电机功率限制条件下，优化得到产生最大推力的螺旋桨参数。     

基于显式动力学理论的冰桨碰撞数值分析

船舶在冰区环境中航行时,螺旋桨不可避免地会与冰块发生碰撞作用。针对冰区环境冰桨碰撞问题,以显式动力学理论为基础,某多功能船舶的螺旋桨为研究对象,建立了冰桨碰撞模型。使用Ansys有限元计算方法分析了不同速度、不同碰撞位置、不同尺寸大小的冰块对螺旋桨碰撞的动态影响。结果表明,冰块速度、碰撞位置、冰块尺寸对螺旋桨的损坏有着明显影响,定性得出冰桨之间的碰撞规律。     

船后吊舱导管推进器系柱水动力数值预报方法研究

作为吊舱式推进器的一种形式,吊舱导管推进器因其附体复杂,且受到船尾线型及其他附体影响,水动力性能研究具有较大挑战.文中基于RANS求解流场,利用滑移网格技术处理螺旋桨的旋转,研究海工船舶船后吊舱导管推进器系柱水动性能数值预报,分析偏转角对不同位置吊舱导管推进器的系柱推力和扭矩影响,并通过模型试验结果,验证了该数值预报方法.     

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%。     

船舶螺旋桨水动力性能数值分析

为获取船舶螺旋桨的水动力性能，采用多参考系模型（Multi-moving Reference Frame，MRF）法，运用重正化群（Renormalization Group，RNG）k-ε湍流模型计算定常条件下的螺旋桨水动力性能，研究不同进速比与不同盘面比条件下的螺旋桨水动力性能，分析不同进速条件下的螺旋桨推力与扭矩等水动力参数变化特性。结果表明：随着进速比的增大，螺旋桨的推力与扭矩呈现下降趋势；在盘面比由0.45增大至0.55时，螺旋桨的推力与扭矩随着盘面比的增大而增大，但在盘面比由0.55增大至0.60时，螺旋桨的推力与扭矩减小。因此，在设计螺旋桨的过程中，需要考虑盘面比对螺旋桨水动力性能的影响。     

基于粒子群算法的螺旋桨侧斜分布优化

为了降低螺旋桨激振力,减小螺旋桨对船体的诱导振动,采用粒子群优化算法,结合螺旋桨非定常面元法预报程序,对螺旋桨的侧斜分布进行优化设计。给出侧斜分布的数学表达形式以及粒子群优化算法的数学模型,并以Seiun-Maru HSP螺旋桨为母型桨进行优化设计,得到3种优化方案。其中,最优方案在不损失螺旋桨推力和扭矩的情况下,轴向一倍叶频、二倍叶频推力系数和扭矩系数明显降低,达到了优化目的,即通过改变螺旋桨侧斜分布形式,能够有效改善非均匀流场中螺旋桨的性能,验证了粒子群优化算法用于螺旋桨侧斜分布优化的可行性,可以实现工程化应用。     

鳍对拖式吊舱推进器水动力性能的影响

为研究鳍的影响,建立了吊舱推进器的水动力性能的计算模型.计算了吊舱推进器安装和不安装鳍时的水动力性能,螺旋桨与吊舱及鳍之间的相互影响通过迭代计算加以考虑.采用基于速度势的基本积分微分方程,并采用双曲面元以消除面元间的间隙.采用Newton-Raphson迭代求解压力分布使得桨叶的随边满足压力库塔条件,用柳泽的方法求得物体表面的速度分布以避免数值求导的奇异性.无鳍.单鳍和双鳍的吊舱推进器水动力性能计算结果表明,附加鳍时吊舱推进器的螺旋桨推力增加,由于鳍上产生推力导致吊舱阻力减小.附加双鳍时的吊舱推进器水动力性能最好,附加单鳍时次之,无鳍时最低.