基于推力数值计算的喷水推进船快速性预报与验证

为实现对喷水推进船航速的快速、精准预报,基于ANSYS-CFX软件平台建立喷水推进器推力的计算流体力学(CFD)模型,采用分块六面体结构化网格离散计算域,采用稳态多参考系法求解雷诺时均的Navier-Stokes方程和SST湍流模型,对喷水推进器内的流场进行数值模拟.采用壁面积分法获取喷水推进器的等转速推力曲线,将其与船阻力曲线相叠加,通过求曲线的交点预报航速.选取可提供推进特性图谱的船A、带双级轴流式喷水推进器的船B和带混流式喷水推进器的船C为例,验证该方法的准确性.结果表明:船A配置的喷水推进器的推力计算值和航速预报值与厂商提供的数值吻合良好,船B和船C的航速预报结果均与实船试航值比较接近,最大偏差小于0.5 kn.结果验证了计算模型的可信性和适用性,进一步表明该方法可较好地指导喷水推进器厂商根据船舶所有人的需求便捷地选出合适型号的喷水推进器.     

后置定子对喷水推进泵性能的影响规律研究

本文采用RNG k-ε模型对不同后置定子叶数的喷水推进泵性能进行数值模拟,首先采用4119桨进行数值验证,计算结果误差均在3%以内,可有效预报水动力学性能。基于现有模型喷水推进泵,分析其水动力学性能,对比不同叶数定子的喷水推进泵性能,分析其推力性能,发现随着定子叶数增加到11叶,推力增大了5.7%,随着叶数继续增加,推力降低,最终只提高了2.1%;对转子推力进行傅里叶分析,发现转子的频域特性并未发生变化;同时分析尾流场压力脉动和湍动能分布,增加定子叶数可改善尾部流场的压力脉动,降低脉动值,随着叶数继续增大,脉动值又增加,其变化趋势与湍动能分布相同。通过掌握定子对喷水推进泵尾流场的影响特性,奠定喷水推进泵设计基础。     

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。     

喷水推进泵相似换算模型试验及性能研究

为了探究喷水推进泵外特性性能与推力性能之间的变化规律,基于水力机械流动相似准则设计得到与原型泵相似的模型泵叶轮,在此基础上开展模型泵的外特性试验并换算得到原型泵的外特性曲线。同时,基于CFX商业软件对喷水推进泵全三维数值计算进行求解,探究不同湍流模型下的数值计算结果和不同转速工况下能量系数KE的变化规律以表征泵的推力性能。结果表明：标准k-ε湍流模型的外特性计算结果与试验结果偏差不超过4.5%,数值计算方法可靠;能量系数KE随流量变化规律与泵效率η相似,但最优工况点存在明显偏差;对于模型泵,其最优推力效率点出现在1 600 r/min附近,这与推力的数值计算结果相一致。由此可推断,采用能量系数KE表征泵的推力特性具有一定的可行性,该方法对于喷水推进泵的设计与优化具有参考价值。     

混合推进船舶"船-泵+桨-机"匹配方法研究

为提高混合推进船舶推进系统的性能,分析了"船-泵+桨-机"的匹配方法.介绍了"船-桨-机"与"船-泵-机"的匹配方法、思路与步骤,着重研究"船-泵+桨-机"匹配中的泵、桨负载分配对推进性能的影响.以调距桨特性曲线与喷水推进推力曲线进行混合推进舰船的快速性计算,螺旋桨重载降低推进效率,喷水推进重载容易产生空化.为避免喷水推进泵产生空化,调距桨的螺距、转速可调范围变窄.     

实尺度喷水推进船拖泵工况数值模拟与分析

对于四泵推进的喷水推进船,在巡航工况时中间加速泵通常处于锁轴状态,其拖曳阻力的大小对喷水推进器的选型以及船泵机的最优匹配有着重要影响。然而,拖泵阻力很难通过船模试验的方法获得。为此,该研究在验证均匀和非均匀条件喷水推进器数值模型的准确性基础上,采用数值试验的方法对18节航速下某双泵推进喷水推进船的实尺度"船体+两台喷水推进器"系统带自由液面的流场进行了数值模拟,计算此时喷泵拖曳阻力及其所占船体阻力的百分比。以此喷泵拖曳阻力作为参考,对尺寸与上述喷水推进泵相近的某四泵推进喷水推进船的喷泵进行了选型和设计,并对该船在18节航速下加速泵拖曳阻力的大小进行了计算,进一步验证选型时拖曳阻力取值的合理性。为消除尺度效应的影响采用实尺度模型对"船体+四台喷水推进器"系统带自由液面的非定常流场进行计算,并探索了大尺度条件下船泵系统考虑自由液面和重力影响的非定常计算方法。     

基于CFD的喷水推进泵导叶三维反设计研究

导叶整流效果不佳是某喷水推进船未达到设计航速的一个重要原因。介绍基于三维理论的喷水推进泵导叶设计方法,叶片形状通过给定轴面轮廓和环量分布规律后经迭代计算得出。基于计算流体力学工具建立描述喷水推进泵内流场的数值模型,采用六面体网格划分计算域,选用SST湍流模型封闭雷诺时均方程。通过周向动能与轴向动能的比值来评估导叶的整流效果,分析喷口直径和导叶轴面形状对喷水推进泵性能的影响规律。结果表明:三维反设计方法和CFD可在喷水推进泵导叶设计中发挥重要作用,导叶经优化设计后可使喷水推进泵推力提高约5%。     

基于CFD的喷水推进泵导叶三维反设计研究

导叶整流效果不佳是某喷水推进船未达到设计航速的一个重要原因.介绍基于三维理论的喷水推进泵导叶设计方法,叶片形状通过给定轴面轮廓和环量分布规律后经迭代计算得出.基于计算流体力学工具建立描述喷水推进泵内流场的数值模型,采用六面体网格划分计算域,选用SST湍流模型封闭雷诺时均方程.通过周向动能与轴向动能的比值来评估导叶的整流效果,分析喷口直径和导叶轴面形状对喷水推进泵性能的影响规律.结果表明:三维反设计方法和CFD可在喷水推进泵导叶设计中发挥重要作用,导叶经优化设计后可使喷水推进泵推力提高约5%.     

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.     

New method for predicting full-scale power performance of pumpjet propulsion system based on statistical learning北大核心CSCD

[目的]针对“适配于螺旋桨的船尾线型+泵喷推进器”构成的船舶泵喷推进系统,提出一种基于统计学习的实船快速性预报新方法。[方法]以某大型水面船舶泵喷推进系统为对象,通过神经网络学习典型推进泵的推力系数图谱曲线,综合运用船-桨配合时的K_(T)-J曲线和船体-喷泵配合时的推力特性曲线,建立“仅需船舶阻力曲线就能实现船舶泵喷推进系统实船快速性预报”的新方法,并基于船模阻力试验、泵喷模型敞水试验及船体-泵喷自航试验的测量换算结果对实船推进性能的预报结果开展精度校验。[结果]校验结果表明:在航速18~30 kn范围内,船舶泵喷推进系统的自航转速、推力和功率的预报误差可控制在5.4%以内,其中设计航速附近的误差甚至小于2%;船体-泵喷的相互作用程度介于船-桨与船体-喷泵之间且幅值相对较小,推力减额系数为趋向于0的极小值,故船舶泵喷推进系统是介于桨轴推进系统和喷水推进系统之间的产物。[结论]该预报方法有利于提升船舶泵喷推进系统实船快速性预报的能力,可为新型舰艇泵类推进系统总体设计/研究提供参考。     

基于统计学习的船舶泵喷推进系统实船快速性预报新方法

[目的]针对“适配于螺旋桨的船尾线型+泵喷推进器”构成的船舶泵喷推进系统,提出一种基于统计学习的实船快速性预报新方法。[方法]以某大型水面船舶泵喷推进系统为对象,通过神经网络学习典型推进泵的推力系数图谱曲线,综合运用船-桨配合时的K_T-J曲线和船体–喷泵配合时的推力特性曲线,建立“仅需船舶阻力曲线就能实现船舶泵喷推进系统实船快速性预报”的新方法,并基于船模阻力试验、泵喷模型敞水试验及船体-泵喷自航试验的测量换算结果对实船推进性能的预报结果开展精度校验。[结果]校验结果表明：在航速18～30 kn范围内,船舶泵喷推进系统的自航转速、推力和功率的预报误差可控制在5.4%以内,其中设计航速附近的误差甚至小于2%;船体-泵喷的相互作用程度介于船-桨与船体-喷泵之间且幅值相对较小,推力减额系数为趋向于0的极小值,故船舶泵喷推进系统是介于桨轴推进系统和喷水推进系统之间的产物。[结论]该预报方法有利于提升船舶泵喷推进系统实船快速性预报的能力,可为新型舰艇泵类推进系统总体设计/研究提供参考。     

限制水域下喷水推进器水动力特性研究

本研究采用数值模拟方法对无限水域和限制水域中喷水推进装置的水动力特性进行对比分析，开展不同水深条件下喷水推进器进流特性、进口流道效率和推进泵水力特性研究，并据此评估开式循环水槽环境下水槽侧壁和底面限制对喷水推进装置水动力性能的影响。数值计算结果表明：限制水域下喷水推进船底部和水槽底面间水流因阻塞效应使速度增加产生回流，水槽侧壁对自由液面兴波产生反射，随着水深减小，流道进口获流区平均轴向速度明显增加；不同水深吃水比下，进水流道出口非均匀度增加，但进口流道效率变化不大；相比于无限水域条件，限制水域中推进泵流量系数、扬程系数和泵效率的预报结果偏高1%～2%。     

125SⅡ型喷水推进泵水动力性能的CFD预报研究

以71SII型喷水推进泵为母型,运用相似理论、CFD数值模拟及试验数据校核相结合的方法,预报了某型船拟使用的同系列的125SII型喷水推进泵的水动力性能。通过CFD分析不仅获得了125SII泵的各种性能,如流量、扬程、功率、效率等,而且还能反映泵内流场细节,便于模型的优化。本研究的意义在于,在没有125SII泵的几何图纸的情况下,运用相似理论从71SII泵的几何模型推得125SII泵的几何模型,据此在方案设计阶段可对新设计船进行快速性预报。结果表明,对由71SII泵的几何模型等比例放大得到的125SII泵模型进行CFD计算所得的不同转速下的功率与由71SII泵的试验P-n曲线通过相似换算所得的各转速下的功率,两者之间的相对误差在7%以内,这表明由71SII泵的几何模型等比例放大得到的125SII泵几何模型及相关的数值模拟是可信的。     

基于数值仿真的螺旋桨盘面比对船舶自航因子影响分析

以KCS船和KP505桨为对象,按照一定缩尺比完成三维模型建立、网格划分、边界条件设置并进行流场求解,将数值计算结果与已有试验结果对比,验证数值计算的准确性。按照已通过验证的数值计算方案对该KCS船完成不同盘面比螺旋桨下自航计算,结果表明在不同盘面比螺旋桨作用下船体阻力变化不显著,推力减额变化不显著,但总推进效率随着桨盘面比增大呈减小趋势。     

基于CFD的船舶喷水推进器优化设计

介绍了计算流体力学(CFD)作为一种先进手段在喷水推进器水力性能分析、结构优化设计和推进性能检验中的重要应用.界定了喷水推进器数值计算域,采用结构化网格进行空间离散,选择剪切应力输运湍流模型进行数值计算.在进行了网格无关性分析的基础上,计算了某新型喷水推进泵的外特性,并采用多种定性和定量指标对导叶的整流效果和进水流道的引流性能进行评估,并进行了合理的优化改进.在各部件性能优良的基础上,对“船+泵”流场进行整体计算,通过壁面积分法求取喷水推进器产生的有效推力进行船舶快速性预报. CFD技术的应用为喷水推进器最终设计成功提供了有力保障.     

某内河三体船轴流式喷泵台架试验与性能计算

为检验某内河三体船的轴流式喷泵性能,开展缩比模型试验泵台架试验。采用结构化网格离散计算域得到实尺度喷泵外特性曲线,经无量纲相似换算得到与试验情况相符合的计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）计算值。在流量阀全打开、非等转速条件下和不同流量、等转速条件下进行测量,得到试验泵功率和扬程等数据。在功率损失分析基础上,对比试验测量值与CFD计算值。结果表明：在1 130～1 760 r/min转速条件下两者吻合较好,最大误差为7.6%;在等转速条件下扬程特性曲线趋势达成较好一致性。     

喷水推进流道格栅的流体作用力分析和强度计算

某喷水推进船进水流道格栅多次发生断裂,并损坏了喷水推进泵。准确分析格栅所受到的流体作用力是探寻其损坏原因的基础。应用计算流体力学技术,对包括喷水推进泵、流道、格栅和船体在内的整个喷水推进系统内外流场进行数值模拟。在准确预报喷水推进器推力、功率特性的前提下,较准确地得到了格栅流体作用力。分析发现,栅条的侧向升力远大于迎流阻力,各栅条之间存在明显的相互作用力。运用计算所得的流体作用力对格栅进行了应力强度计算和形变位移分析,排除了格栅损坏的静强度致因的质疑。最后,为进一步探寻格栅损坏真正原因提出了建议。     

喷水推进高速三体滑行艇数值自航研究

为了验证计算流体力学(CFD)方法预报滑行艇自由液面粘性流场的精确度,判断为某三体滑行艇设计的喷水推进器能否满足快速性要求,采用CFD方法对某喷水推进高速(1Fr_L1.8)三体滑行艇进行两相流的数值自航,并与试验值比较。运用切割体网格技术并基于RANS VOF求解,首先计算了五个不同速度下的裸艇阻力。结果表明:阻力系数最大误差8.3%,最小误差0.5%,达到了较好的计算精度;采用等推力系数法,在模型尺度下进行"滑行艇+喷泵"的数值自航,将结果推算到实尺度艇,结果表明该喷泵可以达到设计航速;高速航行时推力减额为负的主要原因是艇首尾压差阻力的显著降低。计算结果显示,考虑自由液面时滑行艇底部会出现不合理的水气分布,这影响到滑行艇的阻力性能和喷泵的推进性能,通过局部网格加密可以显著减少艇底非正常水气分布,但艇底气水层难以完全消除,这可能是CFD方法预报滑行艇阻力精度难以控制的原因之一。     

喷水推进泵空化性能数值模拟与试验验证

为研究喷水推进泵空化性能,采用计算流体力学(CFD)方法对自行设计的喷水推进泵内部空化流场进行了数值计算与分析。用六面体结构化网格对喷水推进泵的进流管道、叶轮、导叶体和出流管道进行网格划分;通过求解由SST湍流模型封闭的RANS方程计算得到喷水推进泵内部流场,计算得到的扬程、功率和效率特性曲线与试验结果吻合较好。文中还对多个流量的空化性能进行了数值预报,计算结果与试验数据在趋势上具有一致性;小流量工况的临界净正吸头与试验值误差较小,而大流量工况的临界净正吸头与试验值误差较大。研究结果表明:采用CFD方法预报喷水推进泵内部空化流场和空化性能是可行的,可作为喷水推进泵优化设计的有效途径。     

喷水推进船获流区流场数值模拟

喷水推进是一种特种推进技术，利用吸入与喷出水流的动量差产生推力。在考察船体对喷水推进系统的作用时，通常需要获取进水口前方获流区的动量通量。利用CFD方法对一艘喷水推进三体船模型的自航性能进行模拟，考察船体纵倾、升沉和自由面的影响。采用流量边界条件法对泵的喷射作用进行简化，可提高计算效率。通过流线确定获流区形状，考察获流区进流的动量、动能和边界层影响系数，并与模型试验结果进行比较。在此基础上，对某四泵喷水推进船获流区流场进行数值模拟，考察进速比和流道进口特征对获流区的影响，为四泵喷水推进船舶的设计提供支撑。