半悬挂舵空化及其对非定常力的影响研究

为深入研究空化后半悬挂舵非定常水动力性能的相关规律,采用结构化网格、DES湍流模型和VOF方法对某大型舰船的半悬挂舵空泡进行计算。探讨和分析舵空泡的周期性变化,同时简要分析半悬挂舵的间隙空化及端部空化产生的原因。基于空化和非空化2种状态对3个不同舵角下的舵空泡进行计算,总结了舵横向力、舵轴扭矩等非定常力的规律。结果表明：当空化区域较小时,空化对舵非定常力几乎没有影响,随着空化区域的增大,舵效显著降低;空化发生后,舵非定常力的脉动幅值将急剧增大,且空化区域越大,舵非定常力的脉动幅值越大。该研究结果可为评估空化状态下半悬挂舵的水动力性能及对舵进行优化设计提供技术支撑。     

舵空泡对船体压力脉动的数值分析

[目的]船舶航行时舵表面发生的空泡将使船体产生振动和噪声,为了研究舵空化效应引起的船体压力脉动及其影响,[方法]基于Star-CCM流体计算软件,对实船在某航速下在5°和10°舵角航行时产生的空泡进行预报,分析船体压力脉动产生的规律。[结果]分析结果表明,舵空化效应对船体压力脉动有直接影响;在5°,10°舵角工况下,舵空化对船体造成的压力脉动幅值远大于舵表面不存在空化时船体表面的压力脉动幅值,舵发生空化效应越剧烈,船体表面压力脉动的波动幅值就越大。[结论]研究结果论证了舵空化效应对船体的振动和噪声有着直接影响。     

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。     

非均匀伴流中复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合研究

复合材料可改善螺旋桨空化性能及振动特性,在先进海洋推进装备领域备受关注。本文基于URANS计算复合材料螺旋桨外流场,应用FEM求解桨叶结构动态响应,并将水动力载荷及结构变形实时双向传递,建立复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合数值计算方法。精细地模拟了桨叶经过高伴流区过程中叶梢空泡的演化;叶梢最大变形量随着叶梢空泡的初生、发展而逐渐增大,在梢涡空泡形成阶段达到最大值,然后随着空泡的溃灭而减小;揭示了复合材料的应用使螺旋桨推进效率得以提高、叶梢空化得以抑制的机理,即复合材料螺旋桨在空化水动力载荷作用下产生弯扭耦合变形,自适应地调整攻角以抑制空泡发展;对比了典型空化工况下复合材料与刚性金属螺旋桨空化水动力性能的区别;与刚性金属桨相比,复合材料螺旋桨的压力脉动峰值缓和,对非均匀伴流场的适应性更好。     

桨后贝克舵的水动力性能研究

本文基于面元法理论对桨后贝克舵的水动力性能进行了研究。首先结合空泡水筒试验的试验结果检验了面元法程序的计算精度及可靠性,并将面元法计算所得水动力系数绘制成敞水性能曲线,对两种桨舵系统的水动力性能进行比较分析得出贝克舵的节能效果。然后改变桨与贝克舵之间的距离考察其对节能效果的影响,并与实验结果对了对比,结果显示,桨舵间距越大,桨舵系统的效率也就越高。     

不均匀流场中非空泡螺旋桨诱发的脉动压力场计算(英文)

本文介绍了一种基于升力线理论考虑升力面修正的准定常处理方法及相应的计算程序。应用此方法,可计算不均匀流场中非空泡螺旋桨一系列水动力性能的周向径向分布;脉动轴承力的各阶幅值及相位分布可以得解;由叶片厚度、叶片动态及静态负荷所诱发的自由空间脉动压力场利用源汇分布及压力偶极子分布亦可得解;数值计算表明该方法所计算的敞水性能及脉动轴承力与试验结果吻合良好。本方法可用于螺旋桨在均匀及不均匀流场中的性能预估及脉动轴承力六分力的理论预测,亦可用于进行非空泡螺旋桨在不均匀流场中诱发的自由空间脉动压力场计算。另外,本方法还可用于计算不均匀伴流场中各切面遭遇的脉动攻角及相应空泡数,以之作为输入数据可进一步依理论计算片空泡的几何形状,是空泡螺旋桨激振力计算的重要基础。     

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。     

拖式吊舱推进器的非定常水动力性能

应用升力面理论涡格法和面元法,建立了拖式吊舱推进器非定常水动力性能的数值计算方法。螺旋桨桨叶采用升力面理论涡格法计算,吊舱舱体及支架采用HESS-SMITH面元法计算,螺旋桨与吊舱及支架之间的相互影响通过迭代计算来处理。针对拖式吊舱推进器,通过系统的计算和分析,研究了螺旋桨负荷、吊舱和支架诱导速度各分量以及标称与实效诱导速度对其水动力性能的影响。研究表明,就吊舱及支架的实效诱导速度而言,轴向及周向诱导速度主要由支架引起,径向诱导速度主要由吊舱舱体引起。当考察吊舱推进器的定常水动力性能时,可略去吊舱诱导速度的径向及周向分量;考察非定常性能时,可略去径向分量,但应考虑周向分量的影响。以吊舱及支架的标称诱导速度作为进流,将导致非定常推力、扭矩的平均值降低,脉动量幅值减小,因此,虽然标称诱导速度容易得到,但据此进行吊舱推进器的性能预报或设计都会引起一定的误差。非定常水动力的脉动幅值取决于船尾伴流与吊舱诱导速度的相对比例,略去吊舱诱导速度会导致桨叶非定常力的变化特征发生较大变化。     

基于CFD方法的6500TEU集装箱船舵空泡腐蚀数值模拟研究

舵的空泡腐蚀研究在船型优化设计和新船型开发中具有重要意义。文章以6 500 TEU集装箱船的NACA0021舵为研究对象,通过对船、桨、舵整体三维建模,运用CFD方法在3D计算域下对舵的非定常空化现象进行数值模拟,得到了与试验比较一致的结果。同时还对改善舵空蚀现象的措施进行了分析。研究表明,通过整体建模的数值模拟方法对舵空泡性能进行预测研究,其结果是合理可信的。     

超空泡航行体楔形舵片流体动力学特性数值模拟

舵片是保证超空泡航行体运动稳定性和控制航行弹道的重要部分。文章基于均质平衡流模型和SST(Shear Stress Transport)湍流模型,计算了单独舵片的流体动力特性,并与试验数据进行了对比,结果符合较好,验证了计算模型的有效性。基于此方法,计算了单独舵片发生空化后在不同操舵状态下的非定常流体动力变化。结果表明,在攻角相同时,操舵状态下舵片的非定常升力系数和定常结果差别不大,而非定常阻力系数大于定常结果,并且操舵速度越快,阻力系数越大。另外计算了舵片发生空化后的流体动力系数,结果显示在攻角相同时,舵片的阻力系数和升力系数均小于其在全湿状态下的结果;在空化状态下,舵片升力系数的斜率小于全湿状态,并且舵片升力系数的斜率是变化的,存在某临界攻角,攻角大于此临界值时,升力系数的斜率减小,而此临界攻角恰好为舵片的吸力面刚刚出现空化时的攻角;操舵状态下舵片的阻力系数和升力系数的变化规律与定常结果一致,但是数值偏小。     

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。     

改良楔形叶片旋转空化器水动力学特性数值模拟分析北大核心CSCD

[目的]旋转空化器是通过高速旋转的叶片在水中产生超空泡来满足不同工程实际应用需求,有必要对叶片形状进行改良设计以提高其工作性能,探究叶型改良对空化器水动力学特性的影响。[方法]首先,针对旋转空化器楔形叶片的原始叶型进行改良设计,建立叶片改型前、后旋转空化器的三维几何模型;然后,基于ANSYS Fluent软件对原始叶型和改良叶型空化器在不同转速下的自然空化流场开展数值仿真计算;最后,根据计算结果对二者的水动力学特性进行对比分析。[结果]结果显示,相比原始叶型,改良叶型产生的空泡除存在于叶片出口边外,还可以存在于副进口边,这两部分的空泡会随着转速的升高而逐渐连接成一个整体,因而改良叶型空化器产生的空泡尺寸更大,产生的自然空化更强;改良叶型在叶根处产生的空化效应较强,而原始叶型在叶尖处产生的空化效应更强;当转速较高时,改良叶型产生的空泡会与旋转空化器装置的四周壁面接触,导致空泡尾部形态沿半径呈直线型变化。[结论]所做研究可为旋转空化器的设计和应用提供重要参考。     

扭曲舵空泡观测实船试验研究

为验证扭曲舵的抗空化效果,在前期完成扭曲舵设计及实船换装工作的基础上,首次在国内开展了扭曲舵和普通舵的空化实船观测对比试验,对两种舵在设计航速和最大航速下固定舵角工况和直航自动舵工况的空泡进行了比较.结果表明:在相同航速工况下,扭曲舵的舵面空化起始舵角可提高10°左右,可以消除舰船常用航行状态下舵面的空化问题;在高航速大舵角工况时,扭曲舵的空化面积远小于常规舵;在扭曲舵优化的基础上,防腐蚀电极新型安装结构和舵下端导流罩可以有效解决防腐蚀电极和舵下端面的空化问题.通过扭曲舵空泡观测实船试验,证明了扭曲舵具有良好的抗空化性能,为抑制水面舰船舵空化剥蚀、降低船尾振动噪声提供了有效途径,具有优良的应用前景.     

艇桨一体的螺旋桨激振力和水动力噪声数值预报

[目的]螺旋桨噪声和水动力噪声是潜艇噪声控制的重点和难点,因此有必要开展艇桨一体的螺旋桨激振力和水动力噪声预报研究。[方法]以SUBOFF潜艇和DTMB 4383桨为计算对象,结合大涡模拟湍流模型和无限元方法,分析潜艇非均匀伴流场中螺旋桨激振力的变化规律,以及螺旋桨对潜艇表面压力场的影响。采用ACTRAN声学计算软件对艇桨一体的水动力噪声性能进行数值预报。[结果]计算结果表明:螺旋桨激振力的各个分量具有相同的脉动频率,脉动峰值以一阶叶频处为主,同时水平力脉动和垂直力脉动大于推力脉动;潜艇艏部、指挥台、艉翼及螺旋桨叶梢部位均存在局部高压区,这是水动力噪声的主要贡献点;艇桨一体的水动力噪声主要集中在低频段,随着频率的增加,其蝶形分布更加明显;与无桨全附体潜艇相比,带桨潜艇特征点的声压值急剧增加,对其辐射声场的影响较大。[结论]研究成果可为艇桨一体的螺旋桨设计提供参考建议。     

前置定子叶片周向弯曲对导管桨非定常特性的影响

采用数值计算方法研究了均匀来流下定子叶片周向弯曲对前置定子导管桨非定常特性的影响。首先通过对比计算结果和试验结果,验证了数值计算方法的可靠性。再采用该方法对不同型式的定子周向弯曲开展了非定常力分析。计算结果表明,定子弯曲对效率影响不大,但是对非定常特性影响明显。转子推力脉动峰值频率为叶频及其倍频,定子周向弯曲后转子推力脉动幅值均减小,后弯10°时转子推力脉动幅值降低46%。     

基于滑移网格与RNG k-ε湍流模型的桨舵干扰性能研究

结合RNG k-ε湍流模型,运用滑移网格技术对粘性流场中桨舵相互干扰引起的三维非定常湍流进行了计算,得到了随进速系数的变化,桨舵之间相互干扰性能的变化规律;同时获得了桨舵干扰性能随桨舵之间的距离的改变而相应的变化规律。文中给出了桨舵干扰水动力性能的计算结果,并与试验测量值作了比较。从对计算结果的分析可知,利用滑移网格技术及RNG k-ε湍流模型,可以较好地模拟桨舵干扰的水动力性能问题。同时文中分析了桨舵表面压强分布规律以及舵的存在对螺旋桨尾流场的影响。     

基于滑移网格与RNGκ-ε湍流模型的桨舵干扰性能研究

结合RNGκ-ε湍流模型,运用滑移网格技术对粘性流场中桨舵相互干扰引起的三维非定常湍流进行了计算,得到了随进速系数的变化,桨舵之间相互干扰性能的变化规律;同时获得了桨舵干扰性能随桨舵之间的距离的改变而相应的变化规律.文中给出了桨舵干扰水动力性能的计算结果,并与试验测量值作了比较.从对计算结果的分析可知,利用滑移网格技术及RNG κ-ε湍流模型,可以较好地模拟桨舵干扰的水动力性能问题.同时文中分析了桨舵表面压强分布规律以及舵的存在对螺旋桨尾流场的影响.     

对转桨非定常性能的CFD模拟

作为对转桨性能CFD计算研究的一部分,文章基于滑移网格模型,建立了前、后桨非定常相互作用的数值模拟方法,对两型具有不同叶数组合的对转桨进行了敞水条件的计算研究,将非定常推力、扭矩的时间平均值与相应的模型试验值进行了对比。通过非定常滑移面模型与定常多参考系模型(准定常模型)的计算结果之比较,研究了前、后桨相互作用非定常性对水动力的影响,发现:由于考虑了前桨尾涡对后桨桨叶的撞击作用,非定常模型能够比准定常模型更加精确地预报推力及扭矩的时间平均值及脉动量幅值。     

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。     

混合式CRP推进器操舵工况水动力性能数值研究

[目的]为了研究操舵工况对混合式CRP推进器水动力性能的影响,[方法]采用RANS方法结合SST k-ω湍流模型计算NACA0012型敞水舵的升力系数,通过与试验数据的对比,选定数值计算的近壁面网格布置和近壁面处理方式。在此基础上,进一步预报偏转工况下吊舱推进器的水动力性能,通过试验对比,表明误差在较小范围内。以混合式CRP推进器为研究对象,采用该数值方法预报操舵工况下该型推进器的水动力性能并予以分析。[结果]研究发现,该型推进器后桨推力、吊舱横向力和操舵力矩均随偏转角的增大而增大,前桨推力基本不随偏转变化。[结论]表明该型推进器操纵性能优良,具有广阔的工程应用前景。