不均匀流场中串列螺旋桨的空泡、激振力分析

本文基于普通螺旋桨的准定常理论和有关空泡、激振力的理论,发展了不均匀流场中串列螺旋桨空泡、激振力的一个计算方法。主要内容包括:Sasajima加权平均对周向不均匀流场的处理;计及前桨尾流收缩影响的串列螺旋桨正问题计算;轴承力和表面力的谐调分析;前、后桨一对叶片推力偏心的计算和推力、扭矩脉动的谐调分析计算;前、后桨叶剖面空泡长度和面积计算;前、后桨对空间一场点脉动压力的计算。本文还计算了同一伴流场中负荷相同,但叶错角和前、后桨螺距匹配情况不同的串列螺旋桨空泡长度。结果表明:不同的叶错角和不同的螺距匹配对串列旋桨的空泡长度有明显的影响。本方法对不均匀流场中串列螺旋桨的设计以减少激振力有一定的实际意义。     

船用大侧斜螺旋桨的噪声计算与分析

采用分离涡模型(DES)对伴流场中螺旋桨的轴承力进行数值计算,得到轴承力的时域值,通过傅里叶变换得到频域脉动值并分析了轴承力的频域特性。将桨叶表面压力脉动作为旋转偶极子声源,采用Virtual.Lab基于直接边界元方法计算了螺旋桨的无空泡噪声,分析了螺旋桨轴承力与噪声的关系以及噪声指向性。     

螺旋桨梢部卸载和叶片侧斜对降低脉动压力的作用

在中国船舶科学研究中心的空泡水筒中进行了螺旋桨空泡诱导的船体脉动压力试验。 为15000吨单桨货船设计了梢部卸载和叶片侧斜的螺旋桨。几种方案的模型试验表明,梢部卸载能使螺旋桨有较好的空泡性能,脉动压力大幅度下降。增加叶片侧斜能使空泡性能进一步改善,脉动压力进一步下降。 本文讨论了叶片上不定常空泡和伴流场模拟对脉动压力的作用。空泡体积变化和空泡破灭是产生脉动压力高频分量的原因。     

螺旋桨扰动速度场数值预报

本文给出了螺旋桨周围流场的预报方法及其数值计算结果。本方法以具有涡分布和源汇分布的升力面来构造螺旋桨对流场的状动。升力面取奖叶拱弧面。根据桨叶表面流动不穿透条件解出升力面奇点后，然后再求它们对流场的扰动。敞水螺旋桨的脉动速度计算结果与试验结果吻合良好。     

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。     

预报船后伴流场中空泡螺旋桨诱导之脉动压力的一个实用方法及其验证

在船舶设计阶段，早期预报其振支性能对舰船设计师是非常重要的。本文提出了一个预报船后伴流场扣空泡螺旋浆诱导之脉动压力的一个实用方法，即应用准定常升为线理论与二元空泡叶栅理论相结合来计算叶在船后各角位置上的空泡面积，然后再计算脉动压力，在升力线准定常计算中引入了升力面及粘性修正血子。空泡叶栅计算表明比线生化民水翼理论更接近值，它考虑了叶片之间的干扰作用。采用重叠船模的Ｈｅｓｓ－Ｓｍｉｔｈ方法计算出船尾     

一个估算螺旋桨叶片上出现空泡范围的简单方法

本文在常用的螺旋桨水动力性能和叶片切面压力分布计算方法的基础上,提出了一个估算螺旋桨在径向非均匀水流中叶片上出现空泡范围的简单方法。此法可根据桨叶的几何形状,伴流分布和螺旋桨工况估计桨叶出现空泡的范围,也可给出出现空泡与螺旋桨的几何要素例如切面的拱度、厚度分布和冲角等之间的关系。这样,我们就能仔细地分折螺旋桨叶片上发生空泡的情况,提出改进螺旋桨空泡性能的措施。针对一条船舶的螺旋桨,用本方法进行了计算,计算结果与用空泡筒模型试验所得的结果相当一致。     

非均匀流场中抗空泡桨叶剖面设计

给出非均匀流场中螺旋桨桨叶剖面的设计方法,提出保持剖面空泡特征不变的等效运转曲线的思想与确定方法。本文方法设计的桨叶剖面能有效地控制空泡范围和空泡类型,得到期望的空泡性能。剖面可采用母型剖面或“新剖面”方法来设计,进而可确定桨叶弦向环量分布,然后由升力面理论设计三维桨叶的几何形状。通过实例螺旋桨的设计,其空泡性能得到显著的改善,说明本方法是合理和有效的。     

空泡螺旋桨升力面理论设计方法

本文提供了一个局部空泡和超空泡同时存在的空泡螺旋桨或超空泡螺旋桨的升力面理论设计方法。在设计的第一阶段，基于由二元超空泡翼型的线性涡分布面元法获得的一元超空泡翼型性能，应用娄勃氏诱导因子方法升力线理论初步确定空泡螺旋浆的几何形状，如：桨叶轮廓、剖面形状、径向负荷分布和螺距分布等。然后，用局部空泡和超空泡螺旋桨的升力面性能预报方法计算设计桨的几何形状和性能，并对设计桨进行 ，最后得到考虑了三因次影响后满足设计要求的空泡螺旋桨。     

螺旋桨非空泡噪声数值计算方法研究

通过合理的区域划分,分别建立螺旋桨流场计算域与声学计算域,通过大涡模拟求解螺旋桨流场压力信息。利用Light-Hill声类比理论对流场压力进行变换,得到螺旋桨旋转域的面声源与体声源,由此计算整个研究域的噪声分布情况,并对螺旋桨非空泡噪声的指向性进行分析。利用试验值对计算精度进行验证,计算值与试验值对比结果表明,计算方法对螺旋桨非空泡噪声具有较高的预报精度。     

螺旋桨非空泡噪声数值计算方法研究

通过合理的区域划分,分别建立螺旋桨流场计算域与声学计算域,通过大涡模拟求解螺旋桨流场压力信息。利用Light-Hill声类比理论对流场压力进行变换,得到螺旋桨旋转域的面声源与体声源,由此计算整个研究域的噪声分布情况,并对螺旋桨非空泡噪声的指向性进行分析。利用试验值对计算精度进行验证,计算值与试验值对比结果表明,计算方法对螺旋桨非空泡噪声具有较高的预报精度。     

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。     

用准定常升力线理论预报螺旋桨在非均匀流场中的性能

本文应用准定常升力线理论预报船用螺旋桨的性能,建立了适合中型计算机的程序。通过四个桨模的敞水试验和性能计算结果比较表明,对于计算螺旋桨的推力与转矩系数,只要应用升力线理论加上简单的粘性经验修正及升力面影响修正,不必作边界层计算即可得到比较满意的结果。伴流场中单个叶片推力与转矩脉动计算表明,用升力线作计算时,伴流产生的水流弯曲对推力、转矩脉动有较明显的影响,对推力偏心度则影响不大,计算所得的推力、转矩脉动可供计算主机扭振及轴系振动的外力作参考。     

螺旋桨设计参数对桨叶片空泡性能的影响分析

文章基于扰动速度势面元法建立了在均流条件下螺旋桨桨叶片空泡数值预报方法,空泡模型采用压力恢复闭合模型。通过对5600TEU集装箱船螺旋桨空泡的数值预报,以及与试验结果的比较,验证了该方法的可行性。该方法能够较为快速准确地预报螺旋桨桨叶片空泡,可用于分析参数对螺旋桨空泡性能的影响,为抑制螺旋桨空化设计提供基础。在此基础上重点分析了桨叶侧斜、纵倾以及桨叶剖面型式对螺旋桨空泡性能的影响,计算表明加大侧斜能够减少空泡面积,空泡向外半径偏移;桨叶剖面的设计对空泡性能影响较大,优化设计桨叶剖面可以有效减少空泡面积,提高螺旋桨抗空化能力;纵倾向压力面弯曲的分布形式可以改善梢部的压力分布,减少叶梢附近空泡长度,从而可望减少由空泡引起的脉动压力。     

某船用螺旋桨空泡诱导下的脉动压力试验方法

文章分析了由螺旋桨空泡诱导的脉动压力对船体振动的影响及计算方法。为了进一步研究螺旋桨空泡对脉动压力的贡献量,以某船用螺旋桨为对象,分别进行了设计和压载工况下的空泡及无空化时的脉动压力试验。试验结果表明,在相应的测量点处,无空泡下时的对应阶次脉动压力值都低于发生空泡下的值,尽量减小或避免空泡的发生,将可有效减小螺旋桨诱导的脉动压力值,从而减缓船体的振动。     

螺旋桨诱导船体表面脉动压力预报的试验研究

研究了螺旋桨诱导的船体表面脉动压力试验预报值随空气含量变化的规律及螺旋桨模型空泡形态随含气量变化的规律,并与实桨空泡对比分析;探索了脉动压力试验预报与实桨测量值最接近的空气含量控制准则;比较了螺旋桨模型在船模伴流场和修正后的伴流场中工作时,螺旋桨诱导的船体表面脉动压力预报值及螺旋桨模型空泡形态,与实船测量观察结果进行对比,并就伴流场修正对螺旋桨诱导的船体表面脉动压力试验预报的影响作了探讨;研究了螺旋桨诱导的船体表面脉动压力的预报值随桨模试验转速变化的规律。     

螺旋桨轴承力计算方法的对比分析

为了对螺旋桨的轴承力进行研究,在标模SUBOFF尾部同一位置装上4种不同的螺旋桨,分别用CFD方法、拟定常方法以及升力线理论进行螺旋桨轴承力理论预报。根据计算结果,分析侧斜、叶数对螺旋桨轴承力的影响以及不同方向轴承力的相对大小,并对3种方法的优缺点进行总结。结果表明:CFD与升力线理论方法更适合工程需要,尤其是对侧斜较大的桨叶,其较拟定常方法有着比较好的预报效果;同时,升力线理论方法在计算效率方面优于CFD方法;并且螺旋桨轴承力随着叶数的增多、侧斜度的增大而减小;轴承力在y方向上力的分量均大于x方向。     

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。     

螺旋桨受损变形对激振力影响的数值计算分析

为了分析螺旋桨变形前后激振力的变化情况,并为实际工程问题提供理论依据,以标准桨DTMB P4119为研究对象,在非均匀伴流场下进行数值计算方法的验证,形成了一套非均匀伴流下螺旋桨激振力数值计算方法。用该方法对某一螺旋桨变形前后的激振力进行数值计算,得到其轴承力和脉动压力,并对变形前后的激振力数据进行对比分析。结果表明,对于此桨的实际情况,变形前后所引起的轴承力变化十分明显,脉动压力有明显的倍轴频特性,从而导致船体的严重振动,与实际现象相符。所以工程中一定要避免螺旋桨梢部变形引起的螺距变化,并且螺旋桨相关参数要符合规范要求。     

船模伴流场修正对螺旋桨激振力预报的影响

介绍Hoekstra船模伴流修正方法、伴流模拟方法及螺旋桨激振力测量的试验过程。以第16届ITTC推荐的Sydney Express桨为研究对象,在上海船舶运输科学研究所空泡实验室用网格方法模拟船舶艉部流场,通过布置在桨模上方相应位置平板上的5个传感器进行了脉动压力测量。比较螺旋桨在船模伴流场和使用Hoekstra法换算得到的实船伴流场中工作时激振力的预报值及桨模空泡形态,并与实桨对比,就伴流场修正对螺旋桨激振力预报的影响作了探讨。