整流筒对水轮机性能影响的CFD仿真研究

通过在尾水管的直锥段内安装同轴的两端开口的整流筒,在同一典型工况下,利用CFD技术对水轮机性能进行仿真计算,考察了计算水头在不同条件下的水轮机效率的影响,研究结果表明安装整流筒的尾水管的水轮机效率比原型尾水管的水轮机效率高,同时也说明整流筒的安装使压力分布较均匀,减少了流动漩涡,使水流的紊乱程度得到改善,涡带相对被抑制,流场的稳定性显著提高;并且缩小了轴心与周边尾水管壁水流间的压差,抑制了回流产生。     

断叶螺旋桨水动力特性分析及诊断应用

本文采用滑移网格技术,使用基于求解RANS方程的CFD数值模拟技术,模拟螺旋桨在不同进速下的推力系数、转矩系数,以及螺旋桨表面压力分布。获取均匀流场中螺旋桨在不同故障工况下侧向力和监测点的脉动压力波形图,并对脉动压力波形图进行快速傅里叶(FFT)变换,获得脉动压力频谱图,分析螺旋桨在正常工作状态和桨叶折断故障状态的频谱图和时域图,提取时域波形、特征频率、伴随频率和侧向力系数等特征参量,实现对螺旋桨桨叶折断的故障监测与诊断。     

基于 DES 方法的张力腿平台主体结构水动力特性研究

考虑张力腿平台立柱和浮箱之间的相互影响,通过分离涡模拟法（DES）对均匀流下张力腿平台主体三维水动力流特性进行了研究,讨论了张力腿平台阻力系数、升力系数及其频谱、压力系数和尾涡等特性。研究表明：阻力系数和升力系数时历曲线变化具有一定的周期性和“脉动性”;下游立柱受到上游立柱尾涡作用,导致下游立柱阻力系数较上游立柱阻力系数略大;下游立柱升力系数幅值较上游立柱升力系数幅值大,下游立柱泄涡具有明显的周期性特点;升力系数时历变化呈现紊乱,频谱图中谱峰个数越多且带宽越大。立柱表面压力系数呈现出“W”型且张力腿平台主体周围具有不同垂向流态形式,稳定脱落周期下通过压力系数最大值判断撞击点等特殊位置,压力系数最小值判断尾涡所附位置;尾涡具有高度各向相异性,不同来流方向下张力腿平台主体尾后出现不同尾涡结构和流形态。     

离心泵叶轮进口前非定常流动研究

以一离心泵为对象,进行模型泵叶轮进口前非定常流动的PIV试验及数值模拟。基于PIV试验结果可知,在不同流量工况下,吸入管内均存在着较为强烈的预旋流动,预旋流的方向与叶轮旋转方向一致。且泵偏离设计流量工况越大、与叶轮距离越近,预旋流的绝对速度越大。同时,应用数值模拟的方法,详细分析了吸入管内部流场中涡线、压力脉动等的非定常变化,得出在小流量工况下,吸入管内非定常预旋流动将会引起与叶轮转频较为接近的压力脉动,从而对整个泵系统造成严重危害。     

后置定子泵喷推进器压力脉动特性分析

基于改进的延迟分离涡模型对后置定子泵喷推进器瞬态流场进行数值模拟,所得推力计算值与试验值最大误差为4.68%,验证数值模拟的可靠性。分析泵喷推进器近流场压力脉动时频域特性,研究多工况下后置定子表面压力系数、声压脉动时均值的分布规律。结果表明,泵喷推进器内压力脉动主要受转子影响,脉动周期与转子旋转周期一致,频域峰值出现在低频段且均为转子叶片通过频率的整数倍;后置定子平衡转子扭矩的做功区集中在定子前缘,并沿弦向贡献逐渐降低,尾缘约1.8%定子弦长位置对平衡扭矩近乎无贡献;前缘是定子噪声的主要贡献源,在高进速系数下,尾缘表现为定子噪声的次要贡献源,随着进速系数的降低,尾缘对定子噪声贡献逐渐降低。     

喷水推进混流泵空化诱导压力脉动与振动特性试验研究

为探究喷水推进混流泵空化诱导压力脉动与振动特性,试验研究了不同工况和各有效汽蚀余量下叶轮、导叶壳体内壁压力脉动和泵体振动变化规律。比较了两种空化试验方法,并对典型监测点空化前后的时域、频域信号进行了分析。结果表明,空化诱导的压力脉动与振动有着密切联系,叶轮出口处压力脉动和静动部件间的振动信号可用于空化引起的混流泵不稳定运行的监测。随着空化逐步发展,振动信号强度突变滞后于压力脉动,但都提前于外特性的大幅下降,而且未空化与空化发生时信号的时域、频域特征有着明显的差别,这项研究对喷水推进泵空化状态的实时动态监测具有实际工程应用意义。     

喷水推进泵驼峰区波峰与波谷内流作用机制

喷水推进泵一般选用轴流泵或导叶式混流泵。高比转速的混流泵和轴流泵在流量-扬程曲线上容易出现驼峰甚至双驼峰,当运行在驼峰区域时,泵和整个系统都可能会出现流动紊乱和振动噪声加剧等问题。在舰船变速航行时,喷水推进泵需要相应地改变转速;在变速过程中,喷水推进泵可能会进入驼峰区域,不利于舰船高效且低噪声地航行,进而影响乘员的舒适度与舰船的隐蔽性,甚至会对推进系统造成破坏。该文研究对象为带导叶的混流式喷水推进泵,基于标准轴（混）流泵试验台和高精度试验测试方法,获得了试验泵的水力性能曲线,试验发现其存在明显的能量特性曲线驼峰现象且伴随振动加剧;根据喷水推进泵试验泵几何模型建立了流体域三维模型,并采用精细化结构化网格划分。研究发现：在波谷工况时,叶轮流域内在展向高度较高位存在明显的低速涡团,不同流道间的低速涡团存在结构和尺度差异;A区域中的流速虽然较低但仍然呈螺旋前进,B区域中流速更低且旋转程度更大,C区域中的流速比A和B区域中稍高。而在波峰工况时,叶轮流域中的流动更均匀且更平顺,在流道中的稳定流动结构明显减少。     

空泡对喷水推进器流道脉动压力影响的试验研究

为研究空泡对喷水推进器流道脉动压力的影响,该文以某一轴流式喷水推进器为对象,在空泡水筒中开展脉动压力模型试验研究。为使试验尽可能接近喷水推进器在实船上的工作状态,在空泡水筒上搭建了专用试验台,利用空泡水筒试验段模拟船底水流和推进器进口流道,从而在试验段上方构建喷水推进器旁路试验装置。试验在不同流量及空泡数下进行,通过测量喷水推进器叶轮段流道内壁的脉动压力,并优化测点布置,研究流道脉动压力沿叶轮叶梢弦长方向和周向的分布规律以及空泡的影响。试验结果表明：在叶梢弦长方向上,空泡对流道脉动压力的影响主要集中在0～50%弦长区域;周向脉动压力最大值出现在进口流道及叶轮轴引起的低流速区,而空泡对周向脉动压力的影响也集中在此区域。     

船用离心泵压力脉动与振动信号的相干分析研究

非定常流动是引起泵振动的主要因素之一,为了明确压力脉动与振动之间的关联关系,搭建了闭式实验系统,对一台船用离心泵进行压力脉动和振动的同步测量。基于快速傅里叶变换获得了各监测点压力脉动、基脚振动信号的频谱特性及功率谱特性;通过计算压力脉动信号与振动信号的相干函数,并通过比较不同测点的相干系数大小,分析了压力脉动对振动的贡献。结果表明,压力脉动与振动均在轴频、叶频及其高次谐波等离散频率下能量突出;不同频率下各测点的压力脉动对泵振动的影响存在差异,其中进口压力脉动在600-700Hz及900-1000Hz频段对振动影响最大;隔舌压力脉动在0-600Hz及700-900Hz频段对振动影响最大;出口压力脉动在轴频的高次谐波等个别频率处对振动有一定影响。相干分析可作为建立压力脉动与振动信号之间关联关系的一种有效手段,由此为进一步离心泵内部流场改善及减振提供参考。     

基于格子玻尔兹曼离心泵内部流场数值模拟

格子玻尔兹曼方法(Lattice Boltzmann Method,LBM)作为一种新颖的计算流体动力学方法,能够模拟多种复杂的流体问题。论文采用格子玻尔兹曼无网格方法,利用XFLOW软件对离心泵内部流场进行数值模拟,模拟结果表明:离心泵在出口处压力达到最大值;速度从叶轮进口到叶轮出口逐渐增大,在叶轮出口处达到最大值;湍流强度在设计工况时最弱,在大流量工况和小流量工况湍流强度变大;涡量随着流量的增大也逐渐增大,在蜗壳的出口处表现最为明显。     

新型深水多立柱FDPSO流场特性及水动力性能研究

文章基于分离涡数值模拟法对不同来流速度和不同来流方向下FDPSO水动力系数（包括阻力系数、升力系数和压力系数）进行了数值模拟和分析。主要结论如下：升、阻力系数时历曲线表现为“脉动性”,由于上游立柱周期性尾涡作用,导致下游立柱阻力系数较上游立柱系数略大;下游立柱升力系数周期性强于上游立柱。由于浮箱布置不同,串列与并列浮箱之间阻力系数与升力系数表现不同。由于P5位于P1“屏蔽区”,导致P5阻力系数较P1阻力系数小;而P6受到P8尾流作用,导致P8阻力系数较P6大。由于并列浮箱之间流体排斥性作用,导致P3和P7、P4和P6升力系数均值为一正一负,但P4和P6所受升力系数较P3和P7要大。由于流场三维特性与尾涡各向向异性特点,导致不同截面下压力系数为“W”型变化趋势,表现出驻点/尾涡撞击点、边界层附着区和尾涡分离区域。     

叶轮旋向对喷水推进器噪声性能的影响

文章运用计算流体力学和直接边界元方法计算叶轮旋向对喷水推进器水下辐射噪声性能的影响。首先,采用计算流体力学方法计算和分析了某喷水推进泵的裸泵性能曲线,并与厂商数据比较以验证CFD计算方法;然后,计算某“船体+流道+喷水推进泵”的稳态流场,在此基础上计算喷泵内的非定常流场,并获得了叶轮叶片、导叶叶片、轮毂和外壳壁面上的偶极源以及固体壁面上的单元和节点信息;最后,采用直接边界元方法计算喷水推进泵的声场分布。结果表明：喷泵内最大压力脉动在叶轮进口处,压力脉动幅值从轮毂到轮缘逐渐增大;叶轮进口处的压力脉动幅值外旋泵比内旋的大,但在叶轮和导叶相互作用区域则相反;在10～1000 Hz内,叶轮和导叶相互作用区域对于辐射噪声的贡献是最主要的;内旋泵的总声压比外旋泵的总声压级大2.4 dB。     

迈湾水利枢纽升鱼机集鱼槽进口位置选择分析

进口诱鱼效果是过鱼设施设计成败的关键,已成为当下研究的热点。为有效解决迈湾水利枢纽升鱼机集鱼槽进口布置问题,提高过鱼效果,基于MIKE水动力软件中的MIKE21水动力模块,构建迈湾水利枢纽尾水区域二维模型,对不同机组运行工况下的流场进行分析。结果表明,拟建升鱼机集鱼槽4个备选进口,D进口在过鱼季节不同机组运行工况下,诱.导鱼类.进入集鱼槽的有效运行率为100%,是集鱼槽进口布设的最佳位.置。D进口处水深为216～409m,通过在进口处设置拦鱼电栅,并定量补水使进口流速达到07m/s,与主流流速(约0m/s和1似过鱼设施工程进口布设问题提供借鉴和参考。     

船后喷水推进器水下辐射噪声源脉动流场的数值计算

为避免尺度效应对噪声性能的影响,文章研究探索了在实尺度条件下装船后喷水推进器噪声声源的数值计算方法。首先,基于分离涡模型对国外某喷水推进泵内部非定常流场进行了数值模拟,将计算得到的不同转速下泵的功率值与厂商提供数据进行对比,最大误差在2.0%以内,验证了数值计算方法的准确性和有效性。其次,完成了实尺度条件下某"船体+喷水推进泵+进水流道"系统带自由液面的非定常流场的数值计算。提取了实船条件下喷水推进器流道进口处的不均匀速度场,将其加载到单个喷水推进器数值计算模型的进口边界。进而,采用分离涡模型对该船后"喷水推进泵+进水流道"内部非定常流场脉动压力进行数值计算,分析了各个特征截面压力脉动的频域特性,为下一步准确计算喷水推进器噪声提供了有效的脉动流场信息。     

大型船用轴流风机流场数值仿真及其气动噪声源特性研究

基于Realizable k-e双方程湍流模型,利用CFD软件建立了某型船用轴流风机内部流场的仿真模型,分析了转速1460rpm时,不同工况下轴流风机出口压力和效率随流量的变化关系,深入研究了叶轮区域的气体流动的压力和速度的分布、形成过程及相互关系。分析发现,在叶片叶顶区域,由叶顶间隙涡形成的叶顶间隙噪声是该轴流风机的主要气动噪声源;湍流强度与声功率级具有较为一致的分布趋势,湍流强度是影响噪声分布的重要因素。研究结果对分析大型船用轴流风机气动噪声产生机理具有参考价值,并为降低其噪声提供依据。     

不同工况下喷水推进泵内流性能研究

为研究不同工况下喷水推进泵的内流性能,以轴流式喷水推进泵为研究对象,运用Ansys18.2流体计算软件模拟了不同转速和不同航速下喷水推进泵内的内流场,分析了喷水推进泵的转速和航速变化对其能量特性和内部流动的影响.数值计算结果表明:喷水推进泵的推力与航速呈负相关,与转速呈正相关;随着船舶航速的增大,喷水推进泵进水流道内的流速逐渐增大,叶轮进口速度的高速区面积有所增大,导叶出口速度分布的周期性逐渐减弱;随着转速的增加,叶轮进口处更容易发生空化,导叶出口压力上升,速度增大;喷水推进泵进水流道的唇部区域存在小范围的高压区,且航速越高,转速越低,该区域面积越大.     

微弯分汊河段枢纽增建鱼道水流条件数值模型试验

大源渡航电枢纽拟增建鱼道,受枢纽总平面布置条件限制,鱼道进口如果布置在电站尾水,则施工难度和投资均较大,存在严重安全隐患。为既确保安全、节省投资,又满足过鱼要求,采用SMS-RMA2模型建立了平面二维水动力数学模型,模拟得出枢纽坝轴线下游一定范围内多种不同工况下的流场图,为在坝址所处微弯分汊河段找到合适的鱼道进口位置提供了可靠的参考依据。为提高过鱼效果,建议在鱼道进口上游侧设置导鱼电栅等拦鱼系统和喷淋水声、灯光等诱鱼系统,帮助鱼类及早发现鱼道入口。     

水翼叶顶间隙漩涡空化流动特性研究

采用试验的方法研究了不同空化数下水翼叶顶间隙区域漩涡空化流动的发展变化。试验在闭式空化水洞中进行,采用高速全流场显示技术对空化流场进行观测,并采用图像处理技术对试验结果进行处理,提出空化涡模型,阐述了涡空化的发展规律。研究结果表明:随着空化数的降低,叶顶间隙漩涡空化的发展主要经历如下三个阶段:(I)泄露涡内部空化初生阶段:在水翼中部附近产生游离状空化,向下游运动并迅速溃灭消失。(II)叶顶间隙内部附着空化发展阶段:涡空化逐渐发展并向水翼尾缘延伸,空化涡带呈螺旋状非轴对称旋转;叶顶位置压力面中部附近开始出现片状附着型空化,并体现出强烈的非定常特性。(III)射流剪切层内部空化形成阶段:涡空化延伸至水翼下游;叶顶附着空化充分发展,充满间隙并形成射流剪切层空化,和空化涡带共同形成三角状空化结构。     

螺旋桨敞水曲线与流场的CFD不确定度分析

为分析计算流体力学方法预测螺旋桨水动力性能的可信度,针对螺旋桨敞水曲线与流场的数值模拟结果进行了CFD不确定度分析。数值计算采用5套网格,网格加细比为槡2。通过求解RANS方程计算的螺旋桨敞水曲线、叶切面压力与试验值吻合较好。在此基础上,对计算结果进行了验证与确认分析,设计工况敞水曲线与叶切面大部分区域压力系数的对比误差介于确认不确定区间内,结果得到确认。湍流模式对螺旋桨非设计工况与导边、随边流动的适应能力是局部参数没有得到确认的主要原因。     

船舶艉管轴承内部流场数值分析

对水润滑船舶艉管轴承内部流场进行了数值分析,包括内部流场的压力分布、温度分布、速度分布和湍流能量分布.结果表明,轴承内部周向凹槽可以减缓轴承轴向压力降低;轴向凹槽可以增强轴承内部冷却效果,使压力场均匀化;沟槽面可以使层流边界层区域增大,使转捩为湍流的雷诺数增大,降低轴承压力损失.在四种轴承中,四叶轴承内部空穴压力最小,对船舶轴系的激振力最小,可以提高船舶轴系运行的稳定性.