船舶螺旋桨周围粘流场的数值模拟方法

本文叙述了通过直接求解雷诺平均力方程亚获得螺旋桨粘流场数值解的方法与数值求解步骤，该方法采用非交错网格系统，利用幂函数格式离散动量方程，预报一校正方法求解速度一压力藕合问题，应用Ｂａｌｄｗｉｎ－Ｌｏｍａｘ代数湍 模式求解雷诺应力项使方程组支此来获得螺旋桨粘流场。     

船舶结构碰撞试验及简化数值计算方法

[目的]采用流固耦合计算方法虽能较好地模拟船舶碰撞过程,但计算时间较长,为此,提出一种简化的数值计算方法。[方法]以某船的局部舱段为对象,开展多工况水上碰撞试验。采用力传感器和基于高速摄影技术非接触测量的方法获得到碰撞力及碰撞船的运动时程数据,通过对碰撞接触力和加速度响应等数据进行分析,并针对试验过程开展任意拉格朗日-欧拉（ALE）流固耦合数值计算分析,提出将碰撞过程中水域对撞击船的影响简化为等效质量,将对被撞船的影响简化为等效阻力,以面力的形式作用于被撞船非撞击侧用以阻碍被撞船运动的简化方法,然后基于此简化方法开展不涉及水域与结构耦合过程的数值计算。[结果]结果显示,采用简化计算方法得到的各工况的碰撞力峰值与试验值间的误差均在5%以内,且该方法所需要的计算时长远小于ALE流固耦合算法。[结论]所提简化数值计算方法可为实现船舶结构碰撞响应的高效计算提供一定的参考。     

通道宽度对单颗粒沉降运动影响的直接数值模拟

应用任意拉格朗日-欧拉（ALE）算法对固液两相流流场中颗粒的沉降运动进行了真正直接数值模拟。在牛顿流体中通过积分黏性应力和压力获得颗粒的受力跟踪颗粒运动,使用有限元方法数值求解流场的N-S方程,模型不需经验假设。通过模拟颗粒在不同宽度的竖直通道中的沉降来研究颗粒的沉降规律和竖直通道的宽度对颗粒沉降运动的影响作用。模拟结果表明随着通道宽度的增大,颗粒沉降由稳定沉降转变为不规则摆动沉降,沉降雷诺数开始不断增大,随后又趋于稳定。随着通道宽度的增大,其对颗粒沉降的抑制作用变弱。     

基于动网格的螺旋桨空化数值模拟

利用Schnerr-sauer空化模型及RNG k-ε湍流模型,并采用动网格模型对DTMB4381螺旋桨进行空化数值模拟。在进速系数J=0.7,空泡数σ=3.5条件下,预报的空泡形态与公开发表试验及数值模拟结果吻合度较好。因此,利用该方法可以较好地预报空泡性能,为进一步研究螺旋桨空化问题打下基础。     

云计算环境下螺旋桨振力异常数值预报分析

作为动力机械,螺旋桨的性能直接关系到船舶的运行状况。当船舶航行时,螺旋桨出现激振力异常的情况,会增大船舶的振动,导致船体不稳,若是风浪比较大,则可能引起倾覆。因此,对螺旋桨的振力异常情况进行及时准确的预报显得尤为重要。为实现这一目标,可依托云计算环境,借助适宜的软件,对螺旋桨激振力的产生过程加以计算,为异常数值预报分析提供可靠依据,这对于船舶航行安全性和稳定性的提升具有重要意义。     

均匀流场中螺旋桨空泡数值模拟

在FLUENT软件中,采用多块结构化网格对业内选作标桨的E779A桨和PPTC桨进行了均匀来流下的空泡数值模拟。空泡模型采用基于输运方程的完整空化模型。研究表明:不可冷凝气体质量分数对空泡流场的计算结果影响较大。比较发现:数值预报的空泡形态,无论叶背部还是叶面部的片空泡,均与试验结果吻合较好;相同工况下所得螺旋桨推力系数、扭矩系数也与试验结果一致。     

螺旋桨粘性流场的数值模拟

对商业软件FLUENT提供的三种k-ε湍流模型进行KP505桨敞水时三个典型进速系数下的流场进行计算。选定一种湍流模型进行多个进速系数下的敞水性能计算,并把计算得到的结果与实验数据比较,吻合良好,并对螺旋桨敞水时三个典型工况进行研究,分析他们的流场特征。     

船舶尾部流动与多个螺旋桨相互干扰的数值模拟

本文使用RANS方程，K－ε模型和螺旋桨升力面理论，通过力场模型将船舶尾部流动计算程序和螺旋桨性能预报计算程序耦合，用数值方法模拟了由多个螺旋桨驱动的船舶尾部流动的复杂结构和形态，初步探索了船尾流动与多个旋转螺旋桨之间的强烈相互作用。一个带四桨的船模作为数值例子。给出了计算结果并作了定性和定量的分析，与可用的试验结果作了比较，较为吻合。     

螺旋桨射流对抛石基床冲刷的数值计算

抛石基床遭螺旋桨射流冲刷破坏而危及码头使用安全,是近几年码头检测评估工作中的新问题,国内海港工程设计规范中未考虑船舶尾流作用对抛石基床的冲刷影响。采用计算流体力学软件Fluent建立螺旋桨射流流场三维数值模型,并利用螺旋桨射流流速的理论研究成果对数值模型进行验证。通过数值模拟,研究螺旋桨射流在码头岸壁和基床底面影响下的变化规律,建立了船舶尾流在重力式码头前沿的最大冲刷流速及其位置的经验公式。     

均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报

文章采用Sauer空化模型,研究了网格类型和湍流模型对均流中螺旋桨梢涡空泡数值模拟的影响,研究表明,现有的空泡模型适合于螺旋桨梢涡空泡的数值模拟,其中梢涡空泡区域网格密度是关键,文中提出了一种合适的梢涡空泡区域网格加密方法.对PPTC螺旋桨全湿流和梢涡空泡进行了数值预报,螺旋桨梢涡空泡形态与试验结果进行了对比,并应用涡判据"Q准则"和"λ2准则"分析了梢涡与梢涡空泡的流动特征.全湿流中梢涡区域的涡量随周向的分布呈现单峰特性,最小涡量在涡心处,而空泡流中梢涡空泡区域的涡量随周向的分布呈现双峰特性,最小涡量不在涡心处.     

船后螺旋桨空泡数值预报及试验对比

文章研究了湍流模型对螺旋桨空泡计算结果的影响,结果表明常用的湍流模型均可较好地预报螺旋桨空泡形态。采用RANS求解器,结合SST k-ω湍流模型和Sauer空化模型,数值模拟了船后螺旋桨空泡。用对称面边界条件处理自由表面,滑移网格技术处理螺旋桨旋转,时间步长为1°。螺旋桨空泡模拟结果与大型循环水槽试验结果进行了对比,虽然由于计算网格稀疏的原因没能捕捉到螺旋桨梢涡空泡,但螺旋桨空泡随空间角度的动态行为与试验观察结果吻合较好。     

螺旋桨梢涡流场的DES模拟

文章应用分离涡模型（DES）对螺旋桨尾流中梢涡流场分布进行了数值研究。为准确模拟螺旋桨梢涡流场的信息,应用全六面体网格对螺旋桨计算域进行网格划分,通过迭代计算确定螺旋桨梢涡涡核的位置。为避免数值离散误差,对梢涡区域进行了网格加密处理。为了研究螺旋桨梢涡空间形态,文中采用涡核识别的“Q准则”,对螺旋桨梢涡等值面进行定义。计算结果表明,该文建立的尾流中梢涡流场分布数值模拟方法能够准确预报出螺旋桨梢涡流场的分布及涡核形状,与实验测量结果相符。     

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。     

螺旋桨梢涡及梢涡空泡数值模拟

以PPTC(Potsdam Propeller Test Case)桨为研究对象,探索了螺旋桨梢涡及梢涡空泡的数值模拟方法。通过梢涡区域的划分及网格加密,对螺旋桨无空化流场进行了数值模拟,成功捕获了梢涡;然后基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对空化流场进行了数值模拟;并将计算结果与试验数据进行了广泛的比较和分析,以校验计算网格和计算方法。研究表明:无论片空泡还是梢涡空泡的计算结果均与试验观测吻合良好;同时,所得螺旋桨推力和扭矩系数也与试验值符合良好;有效地实现了梢涡捕捉及梢涡空泡模拟。同时指出,水中含气率对推力和扭矩系数的影响大于空泡形态。     

吊舱推进器螺旋桨的敞水性能数值图谱

基于MAU型螺旋桨图谱,应用升力面理论涡格法计算系列大毂径MAU型螺旋桨敞水特性,以单元函数法将敞水性能表达成为毂径比和进速系数的函数,通过二元多项式插值法将MAU型螺旋桨敞水特性拓展到包括大毂径比的POD螺旋桨的敞水性能曲线。     

桨舵间距对螺旋桨推进性能影响的研究

利用CFD数值工具对原型以及减少桨舵间距后的布置进行数值模拟,量化其节能效果,并通过模型试验进行验证。CFD和模型试验结果均表明,减少桨舵间距对于提高螺旋桨推进性能有明显效果。以某3万吨级散货船为例,模型试验结果显示,减少桨舵间距0.5m后,收到功率降低3.1%,航速提高0.13kn。目前市场上运行的三大主力船型中,有相当数量船舶的桨舵间距仍有一定调整空间,表明这项研究成果具有良好的市场应用前景。     

基于平台供应船的可调螺旋桨轴系设计方法研究

目前,国内对大功率平台供应船的可调桨轴系设计没有一个比较完整和系统的方法。通过工程实例详细介绍了可调桨的轴系布置方法。该方法是根据目标船舶的特点,确定推进轴系的布置和各部件的尺寸及材料,以保证整个轴系安全、平稳地完成各种工况下的推进和机动任务。并保证船舶在横倾15°、横摇22.5°、纵倾5°、纵摇10°以及它们同时发生时轴系的正常运行。该方法能为平台供应船的调距桨轴系设计提供一套完整可行的设计方法。     

流固耦合下的复合材料螺旋桨变形特性研究

为了研究易变性复合材料螺旋桨在水动力作用下的变形特性,通过流体计算控制方程和结构有限元方程,建立复合材料螺旋桨流固耦合算法,并利用Ansys／AnsysCFX软件计算流固耦合下指定材料的系列螺旋桨水动力性能,将NBA材料桨计算结果与试验结果进行对比,验证了流固耦合算法的准确性。分析了指定复合材料螺旋桨变形前后水动力性能变化,在此基础之上,进一步分析了复合材料桨叶在特定进速下的应力分布,以及不同进速下各桨叶的变形规律。     

基于滑移网格技术计算螺旋桨水动力性能研究

基于RANS方程的CFD软件数值模拟螺旋桨定常和非定常的水动力性能.定常计算采用多重参考系MRF模型,分别采用标准k-ε的湍流模型,RNG k-ε湍流模型和Reliable k-ε湍流模型模拟在不同进速系数时的推力系数和转矩系数.将模拟的数值结果与试验值相比较,计算结果表明,采用Reliable k-ε湍流模型计算出的推力系数与转矩系数与试验值基本吻合,并以该结果为初始场,通过滑移网格技术,采用单机并行计算螺旋桨非定常水动力性能.相较于定常计算结果更加接近试验值,说明滑移网格技术具有更高的精准度,更加适用于计算螺旋桨的水动力性能.