基于 CFD 方法的螺旋桨水动力性能预报

运用计算流体力学软件对粘性流场中敞水螺旋桨的水动力性能进行了计算研究,模拟了某型螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数、螺旋桨表面压力分布以及螺旋桨后尾流场情况等.在数学建模的过程中,利用 FORTRAN 语言编制了计算螺旋桨型值点的程序,然后把计算值导入 Fluent 的前处理器 Gam-bit 进行建模,并采用样条曲线去拟合各个型值点,从而建立了光滑的三维螺旋桨表面外形.介绍了利用Fluent软件在螺旋桨敞水性能计算中的计算流程,以某一标准螺旋桨作为研究对象,给出了敞水性能曲线的计算结果,并与试验测量值作了比较.由对结果的比较分析可知,基于 CFD 方法可以形象、真实地获知螺旋桨表面的压力以及尾部流场的分布情况,并且数值仿真结果可以满足工程应用.     

螺旋桨定常/非定常水动力性能 CFD不确定度分析

为评估计算流体力学(CFD)方法预报螺旋桨定常及非定常水动力性能的可信度,分析了误差来源并提出改进措施,采用RANS方法并选用SST k-ω湍流模型选取三套网格和三种时间步长对DTMB 4119螺旋桨的定常及非定常水动力性能进行了数值计算,并对计算结果进行了验证与确认。不确定度分析结果表明:螺旋桨定常水动力性能在设计及低进速系数时得到确认,高进速系数时未得到确认;可采用加密网格的方式降低数值不确定度,从而将评估模型误差用于改进计算模型;非定常水动力性能修正后的数值不确定度小于1%,可在2%～3%的水平上得到确认,能够满足其计算精度要求。     

基于FLUENT的调距桨敞水性能数值计算方法探究

以某调距桨为研究对象,基于FLUENT数值计算软件,对螺旋桨转速和网格Y+值对敞水性能计算结果的影响进行了探究,并对调距桨不同螺距的敞水曲线进行了计算。结果显示,在J=0.6～1.0时,转速越小,计算值与试验值误差越小,而在大进速系数和小进速系数下,高转速计算结果相对低转速计算结果更趋近于试验结果;网格Y+在160～400范围内,所得敞水性能与试验值符合较好;相同的网格不能满足调距桨不同螺距的计算精度,对于调距桨不同螺距的计算,应该分别进行探讨,从而确定最佳的计算方案。上述结果表明:所提方法对调距桨敞水性能计算中的网络和选取工作有一定的借鉴意义。     

影响桨毂帽鳍助推效率的主要参数

为了分析影响毂帽鳍的水动力性能的各种因素,采用计算流体力学软件对粘性流场中毂帽鳍的敞水性能进行了计算研究,模拟了某型毂帽鳍在不同参数和不同进速系数下的效率变化曲线。通过对计算结果的对比分析可以得出:毂帽鳍的半径最好不要大于螺旋桨直径的1/3,否则会产生过大的反向推力,造成附加推力的下降;毂帽鳍要处于合适的安装角度范围内,才能使得它对螺旋桨的综合效率最大;轴向位置也存在一个最佳值,过大则桨对毂帽鳍的诱导速度会随之降低,而过小桨叶和鳍片之间的干扰会造成扰流,导致效率的下降。同时,从整个桨的静平衡和回收效率考虑,选定鳍叶数和桨叶数相同较为合适。     

易变形船舶螺旋桨流固耦合特性分析

应用双向流固耦合方法,研究了桨叶变形对螺旋桨桨叶表面压力、周围流场及敞水性能的影响,分析了438X系列螺旋桨变形前、后桨叶表面的压力分布以及螺旋桨周围流场的变化,对比了桨叶变形前后的螺旋桨推力系数和扭矩系数。结果表明:桨叶的变形改变了桨叶表面的压力分布并引起螺旋桨周围流场的变化,桨叶变形前、后的推力系数最大相差9.3%,扭矩系数最大相差8.1%,桨叶变形引起的螺旋桨敞水性能的改变不可忽略,不同几何形状螺旋桨变形前、后敞水性能的变化也不尽相同。该研究结果可为新型易变形材料螺旋桨的性能预测、设计提供指导。     

导管螺旋桨敞水性能的预报和比较

借助于计算流体力学软件,对导管螺旋桨的敞水性能进行了数值模拟,得到了在不同网格模型和湍流模型下导管螺旋桨的正车敞水性能曲线,通过与试验图谱的对比分析,发现Wilcoxk-ω模型更适合于导管螺旋桨的敞水性能计算,并且采用结构化网格和非结构化网格相结合的计算方法能够满足导管螺旋桨敞水性能预报的工程精度要求。同时,当网格中存在少量高度倾斜的网格单元时,在不影响计算收敛的情况下,仍能将计算误差控制在10%以内。此外,如果要获得更为精确的计算结果,应提高网格质量,尽量使用结构化网格,并将近壁面网格加密,合理控制壁面附近的Y+值。虽然网格数量的增加并不总是意味着计算误差的减少,但合理控制网格细密度能够获得更为可信的计算结果。     

用面元法预报吊舱推进器水动力性能

面元法的各个环节有不同的数值处理方法,不同的方法计算结果有所不同,通过对各种方法的计算结果进行比较,得到适合螺旋桨计算的数值处理方法。用面元法对吊舱螺旋桨的水动力性能进行了计算,得到了吊舱推进器的敞水曲线和轴承力。     

弹性螺旋桨的轴向非定常力分析

为研究螺旋桨的水弹性流固耦合非定常振动特性,首先通过金属桨敞水性能验证了瞬态双向流固耦合方法的可靠性;然后,以玻璃纤维为参考材料,通过改变材料参数得到不同材料的弹性螺旋桨,并采用瞬态双向流固耦合方法对伴流场中不同弹性螺旋桨进行数值计算,得到了轴向非定常力和变形的时域值;最后,通过傅里叶变换得到不同材料-阶叶频处脉动幅值;结果表明:通过对杨氏模量和刚度阻尼的调整,可以降低螺旋桨流固耦合非定常力脉动幅值。     

导管螺旋桨水洞试验洞壁影响研究

以JD75+Ka4-70型导管螺旋桨为研究对象,利用CFD软件研究了不同水洞直径和导管桨直径时洞壁对导管螺旋桨性能的影响。研究结果表明:导管螺旋桨在水洞试验时,若要使测量结果与敞水性能之间的相对误差控制在5%以内,则要满足桨洞直径比小于1/3的要求,以尽量减少洞壁对导管桨的影响;若仅要求相对误差不大于10%,则桨洞直径比小于1/2即可。对于更大的桨洞直径比,由于导管桨与洞壁之间的相互影响过于强烈,试验的难度较大,并且数值计算的收敛性也较差。     

系泊工况下调距导管桨水力性能预报

在验证所用数值计算方法可信性基础上,采用CFX软件对某艏辅推调距导管桨设计螺距和系泊工况螺距的水动力性能进行了有效预报,并对系泊工况装船桨性能行了分析。结果表明:系泊工况下,由于导管桨的抽吸作用在导管外壁近壁面区域存在与导管内部流动方向相反的逆向流动,且小螺距角系泊工况时导管桨尾流场轴向速度梯度分布更不均匀,受叶片形状影响明显,此时桨叶与导管的推力之比约为1.2∶1;装船后,推进器受船体和支架伴流影响,与系泊工况敞水性能相比桨叶推力增大,力矩增大;收放支架阻力约为导管桨产生推力的10%。     

螺旋桨缠绕物切割装置对螺旋桨水动力性能影响

将螺旋桨缠绕物切割装置与螺旋桨作为组合推进器,并运用基于RANS方程的多参考系模型计算了加装切割装置对螺旋桨水动力性能的影响。计算结果表明,加装的切割装置对螺旋桨的敞水性能影响较小,在±2%左右;切割装置对螺旋桨叶面压力的影响在半径较小的叶切面上比半径较大的叶切面上明显;各叶切面上导边受到的影响最大。从总体上看,增加切割装置不足以对螺旋桨的空泡性能和噪声性能造成明显的影响。     

水洞测试定子外形选用及其对流场影响分析

为了在螺旋桨水洞实验中将测试传感器通过测试定子引出,并尽可能减小测试定子对水洞流场的影响,确保螺旋桨水洞实验及相关测试结果的准确性,首先根据NACA翼型,在测试定子截面厚度一定的情况下,通过调整截面厚度比得到6种典型截面形式;然后,通过数值计算对比6种测试定子所产生的尾流分布以及尾流扰流情况,发现厚度比为30%的截面翼型尾流分布均匀,流场扰动缓和且范围最小,在此基础上,根据实际水洞的有限长度,选取厚度比为30%的截面翼型置于螺旋桨正前方0.6m处进行数值模拟,所得螺旋桨水动力结果与螺旋桨敞水试验对比吻合较好;最后,分析了各叶片的压力分布情况及不同进速下的推力和扭矩,结果表明:该测试定子对后方螺旋桨周围流场的影响可忽略,验证了所选用截面形式测试定子应用于螺旋桨水洞实验的可行性。     

铜桨和碳纤维桨的单/双向流固耦合对比

使用ANSYS Workbench平台中ACP模块对铜桨和碳纤维桨进行了建模和单/双向流固耦合对比研究。双向流固耦合计算考虑了流体和固体的相互影响,使铜桨和碳纤维桨的敞水性能比单向流固耦合计算值更接近于试验值。碳纤维桨的变形和应力在各种工况下均比铜桨大,二者的双向流固耦合变形和应力均比单向流固耦合时小,且碳纤维桨的减小量更多,说明碳纤维桨的弹性使其更易受水动力载荷的影响,流固耦合现象更明显。     

全附体多桨船模自航点数值求解方法研究

针对带附体的四桨双舵船模,采用结构化网格离散全附体模型表面,基于RANS方程求解了船桨舵耦合的复杂粘性流场,数值模拟了主船体阻力试验、螺旋桨敞水试验、全附体模型阻力试验和自航试验,建立了螺旋桨转速自动调节的模型自航点求解方法。该方法的计算结果与试验结果进行了比较分析,结果表明:全附体模型阻力误差小于3.8%,自航点转速误差小于4.3%。     

确定螺旋桨直径切割量的图谱和方法

当螺旋桨要求的功率过高以至于轴转速达不到额定值时,可以采用切割螺旋桨叶梢的方法减小螺旋桨的负荷。本文提出了依据切割桨性能系列图谱确定螺旋桨直径切割量的方法,同时也提供了适用于高速船常规螺旋桨的系列图谱。按本文所述方法得到的计算结果与实船测试结果吻合良好。     

基于B样条的螺旋桨升力面设计

为了改善螺旋桨的空泡性能,从效率和空泡性能2个方面的权衡来确定环量分布.在升力面理论设计中计及桨毂的影响.桨叶几何用较少的B样条控制角点来表示.将升力面理论计算的控制点处法向速度的平方和作为优化目标函数,并通过最小化目标函数得到桨叶几何.     

螺旋桨激励水下艇体振动的试验及数值研究

为考虑螺旋桨真实激励特性,在循环水槽中开展艇尾伴流场中螺旋桨诱导艇尾脉动压力及螺旋桨激励水下艇体振动响应的测量试验。试验结果表明:脉动压力幅值在叶频处最大,且随螺旋桨负载增加而增大,随与螺旋桨之间距离的增大而减小,四叶桨脉动压力在尾翼后的高伴流区幅值较大,五叶桨则在尾翼之间的低伴流区幅值较大；大部分测点的振动响应幅值随螺旋桨负载增加而增大,但也存在叶频处幅值较小和未随负载增加而增大的情况；五叶桨激励引起的侧向振动较四叶桨有所增强而轴向振动有所减弱；特定谱峰频率处振动响应幅值呈一阶弯曲振型,其频率范围与有限元计算结果较为一致。综合采用计算流体动力学、有限元和模态叠加法建立螺旋桨激励水下艇体振动响应的数值计算方法,通过计算与试验结果的对比发现,该方法的计算结果与试验结果吻合较好,相比于采用单位简谐激励的谐响应分析方法更加接近真实情况。     

鳍对拖式吊舱推进器水动力性能的影响

为考察鳍对拖式吊舱推进器水动力性能的影响,用基于速度势的面元法建立了吊舱推进器水动力性能计算的数学模型,对附鳍的吊舱式推进器的定常及非定常水动力性能进行了预报.螺旋桨和吊舱及鳍之间的相互影响通过迭代计算来处理.采用计算较为简便的关于扰动速度势的基本积分微分方程,并采用双曲面形状的面元以消除面元间的缝隙.在桨叶随边满足压力Kutta条件,用Yanagizawa方法求得物体表面的速度分布.计算了无鳍、单鳍和双鳍拖式吊舱推进器的水动力性能,计算结果表明,鳍会产生推力,使得双鳍时整个推进器的水动力性能最好,单鳍次之,无鳍最低.     

舰船推进系统液力偶合器滑差变化规律分析

研究了将液力偶合器滑差特性用于舰船推进系统稳态特性分析和机-桨联控曲线设计,由此发现滑差变化规律.分析了两种正常工况和五种应急工况下的"船-桨-机"匹配稳态特性以及用液力偶合器滑差所做的主机负载判别.有关滑差的主要研究结果有:按螺旋桨特性工作时,液力偶合器滑差的大小既取决于船体阻力特性(它决定了螺旋桨负载特性),又受液力偶合器自身的"效率-转速"相关性(运转特性)的影响.     

吊舱电力推进系统性能评估及设计方法

将吊舱电力推进系统和常规推进系统进行比较，经分析得到在总布置、水动力、生命力和制造维修等方面吊舱电力推进具有优良性能，最后对牵引式吊舱对转桨的设计方法作了介绍．