KP458螺旋桨水动力及空泡特性研究

以螺旋桨(KP458)为研究对象,研究其空泡流场特性。首先通过梢涡区域划分及网格加密,对螺旋桨(KP458)在无空化均匀流条件下进行敞水性能数值模拟,建立螺旋桨流场数值预报模型,并对4套网格进行不确定度分析。将计算结果与实验数据进行对比,然后应用Schnerr-Sauer空化模型数值模拟。通过将试验结果与螺旋桨(VP1304)水动力及空泡特性仿真结果进行对比,无空化流场与空化流场中的推力、扭矩系数误差均低于8%左右,以此验证数值计算模型的可行性。研究表明：采用的数值模型具有良好的精度,螺旋网格加密能够捕捉螺旋桨产生的梢涡;KP458螺旋桨在进速系数较低时有较为明显的梢涡空泡产生,随着进速系数增大空泡面积逐渐减小且梢涡空泡消失,螺旋桨的梢涡强度逐渐减小且梢涡融合现象发生越早。     

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.     

抑制潜艇螺旋桨旋转噪声的消涡整流新方法研究

潜艇螺旋桨工作在非均匀的潜艇尾流中,潜艇尾流的不均匀性直接与螺旋桨的旋转噪声相关。在分析潜艇主附体结合部马蹄涡对潜艇尾流不均匀性影响的基础上,设计了消涡整流片以削弱马蹄涡强度。结合数值计算方法计算了消涡整流片作用下的潜艇模型的流场和螺旋桨的旋转噪声。结果表明:消涡整流片可以较好地降低潜艇尾流的周向不均匀性、控制潜艇螺旋桨非定常力的变化幅度,并抑制螺旋桨的旋转噪声。在消涡整流片的作用下,螺旋桨所对应的1阶叶频声源级噪声值下降约4dB。     

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。     

泵喷宽带非定常激振力预报与参数分析

为预报泵喷推进器转子与湍流互作用宽频非定常激振力,在Sears函数的基础上,考虑随机湍流波的影响,推导了螺旋桨宽频非定常激振力预报公式,并与实验值对比验证了该公式。进一步考虑泵喷推进器转子工作在前导叶尾流场的情况,通过Gauss尾流模型建立叶片尾流湍流波数谱,通过经验公式计算叶片尾流场参数。推导得到泵喷推进器转子宽频非定常激振力预报公式,通过公式计算得到的宽频非定常激振力与数值计算结果相近。分析了流场参数的变化对推进器转子宽频辐射噪声预报结果的影响。研究得到,湍流强度只影响宽频非定常激振力预报结果的幅值,湍流积分尺度对幅值和频谱形状都有较大的影响。     

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。     

五阶HWCNS格式在低速复杂流场中的应用

采用五阶精度显式HWCNS格式求解雷诺平均NS方程,利用多块对接结构网格技术,对30P-30N多段翼型进行网格收敛性研究,在不考虑转捩的情况下采用SA一方程湍流模型研究HWCNS格式与二阶精度MUSCL格式对该翼型压力分布和典型站位速度型的影响,并与实验结果进行对比分析。采用HWCNS格式和SA一方程湍流模型模拟梯形翼高升力构型低速复杂流场,通过对总体气动特性和压力分布的分析,探讨五阶精度显式HWCNS格式在低速复杂外形流动中的应用能力。     

超声速扩压器中激波串结构的数值模拟

通过求解由BL湍流模型封闭的二维、轴对称及三维雷诺平均N S方程 ,数值模拟了等截面超声速扩压器中由激波 /附面层干扰诱导的复杂流场 ,比较了二维直管、圆截面直管及三维矩形截面直管中的流场特性、激波串长度及压强恢复程度。在来流马赫数为 3 0的二维直管计算中 ,采用四步Runge Kutta显式方法数值仿真了激波串自激振荡过程 ,并与实验结果作了对比分析     

基于面元法的潜艇螺旋桨低频线谱噪声预报方法

首先,用CFD方法计算得到潜艇尾部非均匀伴流场,并用面元法对非均匀流场中的螺旋桨非定常压力分布进行了计算,将潜艇伴流场的计算结果以及螺旋桨非定常力的计算结果与实验结果进行了比较,结果吻合较好;然后,将计算得到的压力分布时域信号输入到噪声积分方程中,计算出螺旋桨诱导的噪声声压,所得到伪噪声声压级与Seol的噪声声压级吻合很好。结果证明:该方法可真实考虑螺旋桨形状,对噪声源和观测点的距离没有作任何近似,计算速度快,为潜艇螺旋桨的噪声性能快速评估及优化提供了技术支撑。     

激光PIV流场显示与测量系统

利用课题组自行设计研制的一套粒子图像测速(PIV)系统对高速水洞中流场进行了测试研究.测试系统中,光源使用Nd:YAG调Q双激光器,其波长532 nm,脉冲时间8 ns,脉冲能量100 mJ;示踪粒子则采用直径200 μm的镀银聚苯乙烯微球.无模型空流场测试结果表明,该系统对无模型空流场的测试误差小于1.3％;而通过圆球模型绕流流场测试结果与其理论值的对比发现,大部分测试流场区域的测试误差小于2％.     

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。     

五阶HWCNS在低速复杂流场中的应用

采用五阶精度显式混合加权紧致非线性格式求解雷诺平均NS方程;利用多块对接结构网格技术,对30P-30N多段翼型进行网格收敛性研究。在不考虑转捩的情况下,采用SA一方程湍流模型研究混合加权紧致非线性格式与二阶精度MUSCL格式对该翼型压力分布和典型站位速度型的影响,并与实验结果进行对比分析。采用混合加权紧致非线性格式和SA一方程湍流模型模拟梯形翼高升力构型低速复杂流场,通过对总体气动特性和压力分布的分析,探讨五阶精度显式混合加权紧致非线性格式在低速复杂外形流动中的应用能力。结果表明,对30P-30N三段翼型,采用全湍流模拟方法可以得到较好的压力分布;对梯形翼高升力构型,在附着流和边界层小分离情况下混合加权紧致非线性格式有较好的模拟能力。     

坦克排气流场三维数值计算研究

应用FLUENT软件对某型号坦克排气管三维流场进行了CFD分析,采用标准k-ε湍流模型,应用SIMPLE算法对排气流场进行了数值计算,并将计算结果与测试结果进行对比。研究结果表明,排气出口计算值与测试值的相对误差小于7%,所使用的数值计算方法可用于排气流场的数值计算及分析,基本满足工程设计的需要。     

翼栅绕流流场数值模拟及动力性能研究

基于2D不可压缩定常流动的控制方程,对5个NACA4412非对称翼型组成的平面直列翼栅绕流流场进行了数值模拟,对比分析了同一翼型在翼栅中工作和单独绕流时的升、阻力情况,验证了翼栅装置工作的可行性,反映了翼栅绕流的客观规律性。结果表明:翼栅翼型头部流速和压力急剧变化,尾部出现流涡尾迹,前部是负压区,后部是正压区,内部流速大,压力小;在1/3弦长附近翼栅翼型表面压力出现拐点,拐点之前翼型上下表面压力差较大,拐点之后翼型上下表面压力差较小;翼栅内部流场具有相似、相近性,外部流场差异性较大;翼型的压力差是产生升力的主要原因。     

基于STAR-CCM+的全附体潜艇尾流场数值分析

为充分了解潜艇周围的粘性流场特征,基于STAR-CCM+仿真软件对SUBOFF全附体模型的尾流场进行了数值模拟。通过将数值模拟结果与试验结果进行比较,系统分析了棱柱层网格的划分与湍流模型的选取对计算结果的影响。结果表明:SSTk-ω模型较适合应用在潜艇模型尾流场计算中,并且棱柱层的总厚度不能小于15mm,第一层计算网格节点到表面的无因次距离y+应在25到170之间。在此基础上,应用滑移网格技术对潜艇尾流场进行数值模拟,通过加密网格和减小时间步长使得轴向伴流分数与整体定常计算值吻合较好。     

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%。     

潜艇模型尾流场和水动力噪声的测量方法研究

探索了一种集潜艇模型尾流速度场测量及模型水动力噪声测量于一体的试验技术,即通过合理的试验方案设计及信号处理手段,完成对潜艇模型水动力噪声信号的测量,识别出模型噪声信号各成分的影响范围;同时,应用PIV技术对潜艇模型的尾流速度场进行测量,通过对测量结果的处理,得到潜艇模型的尾流涡量场分布.所得到的结果为研究潜艇水动力噪声与尾流涡结构之间的关系提供了参考,所做的工作为上述问题的研究提供了一种新颖的试验思路.     

大型船舶空气尾流场防治新技术的数值模拟

大型船舶空气尾流场对海上飞机安全降落有重要的影响,因此对其进行有效防治技术研究在保障飞机安全、大型船舶海上活动等方面有重要意义。采用计算流体力学方法开展大型船舶空气尾流场特性及其防治技术的数值模拟研究,以带有Spalart-Allmaras湍流模型的Reynolds平均Navier-Stokes方程构建模拟平台开展数值模拟,得到大型船舶空气尾流场规律特性。在此基础上,提出主动补气防治新技术,分别阐述其理论基础、核心方法和技术方案;根据主动补气防治技术思想和理论,进一步开展数值模拟验证研究。结果表明,该技术能显著改善空气尾流场的流场品质,使流场趋于平稳均匀,减小对飞机海上降落的影响。该技术进一步完善了可实现工程应用,并保证飞机海上降落安全,有巨大的应用潜力。     

无限质量降落伞充气动力学数值模拟

为分析降落伞火星再入环境下的超声速开伞性能,基于任意欧拉-拉格朗日罚函数法和多介质任意拉格朗日欧拉算法,求解可压缩流场与降落伞结构的耦合动力学模型。数值模拟盘缝带伞超声速开伞过程外形变化,预测气动力作用下的伞衣织物三维结构动力学行为。结合风洞试验数据,对比分析降落伞开伞性能和前置体对伞衣充气外形的影响。最终给出超声速伞周围非稳态流场的尾流和激波分布。仿真结果表明:盘缝带伞在超声速开伞过程中被完全充满且充气效果良好,未出现塌陷情况;随着来流马赫数的增加,降落伞阻力系数逐渐减小,充气时间缩短。仿真结果与试验结果保持一致,验证了所提方法的有效性。     

水下缩比航行体热尾流的红外探测实验研究

根据缩比模型,建立了缩比红外成像实验测试系统,对水下航行体的体积、航行深度、运动速度、尾流排放等进行了缩比设计,设计了多种实验工况,可实现缩比目标模型红外尾流的静态和动态测试,一方面明确红外尾流的可探测性,另一方面掌握红外尾流可探测性的影响因素以及红外尾流的变化规律,为下一步工作奠定基础。