基于伴随方法的混合式CRP空泡性能优化

为探索出高效可靠的混合式CRP(对转吊舱)推进器优化设计方法,基于定常整体面元法,开展混合式CRP推进器伴随方法的应用研究.建立混合式CRP推进器的伴随方程,计算推力、扭矩系数及剖面最大负压系数与前、后桨螺距及拱弧之间的敏感导数,根据敏感导数结果,结合定常整体面元法,开展混合式CRP推进器的优化设计.优化中保持前、后桨的推力、扭矩不变,改善螺旋桨的空泡性能.对优化前、后的混合式CRP推进器加工模型,在空泡水筒中进行模型试验,结果表明:优化后混合式CRP推进器的叶梢空泡面积明显减小,同时推力、扭矩系数基本维持不变,验证了伴随方法在混合式CRP推进器优化中的有效性.     

吊舱推进器面元法计算对比

为寻找高效、可靠的吊舱推进器分析手段,研究了迭代面元法和非定常整体面元法求解公式.在此基础上针对吊舱推进器的结构特点,提出将吊舱体和螺旋桨作为整体求解的定常面元法.随后运用这3种面元法计算了某一吊舱推进器,并对计算结果的精度和计算耗时进行对比.结果表明,迭代面元法、非定常整体面元法和定常整体面元法计算精度相差不大,与试验值相比,计算结果的相对误差均控制在5%以内,但定常整体求解方法计算时间最少.通过对定常整体求解面元法公式推导表明,该方法能够适用于其他由螺旋桨和固定构件组成的组合推进器.     

基于面元法预报导管桨性能的数值计算方法

基于面元法,分别用将桨和导管当作一个整体考虑的直接计算方法、基于诱导速度的迭代计算方法与基于诱导速度势的迭代计算方法预报了导管螺旋桨的定常水动力性能.计算结果表明：采用这3种方法预报导管螺旋桨的定常性能具有相似的精度,但直接求解方法可以节省大量的计算时间;直接求解和速度势迭代计算的导管表面压力分布、桨叶表面环量和压力分布基本一致,但是与诱导速度计算的结果有一定的差异.对这3种方法计算结果的差异性分析表明：计算导管桨水动力性能时,直接求解方法和基于诱导速度势迭代方法更可靠.     

对转桨非定常水动力性能的数值分析

基于速度势的面元法预报了对转桨的非定常水动力性能,采用周向平均的方法处理转桨的两桨之间的干扰.首先通过将定常计算值与文献值进行比较验证算法的可靠性.然后,进一步分析了对转桨的非定常水动力性能,并将计算值与实验值和文献值相比较.结果显示:非定常结果与文献值非常接近,而且在加入伴流场后,非定常计算值比定常计算值的精度更高.计算了对转桨不同方向上的非定常力和力矩,分析表明该方法在计算对转桨水动力性能方面有一定适用性.     

影响导管桨内部流场的几个因素

用理论方法计算导管桨的内部流场,研究几个重要因素对内部流场的影响,以期获得导管桨内部的流体运动规律．用迭代方法分析螺旋桨和导管的相互影响,迭代计算结束后求解螺旋桨和导管表面的偶极强度和源汇强度,根据蒙瑞诺公式计算螺旋桨和导管的诱导速度,即可得到导管桨的内部流场．以面元法为数值求解方法,编制计算程序,研究影响导管桨内部流场的几个因素,包括螺旋桨的盘面比、叶数和导管的形状、位置．结果表明,上述参数对螺旋桨内部流场的大小和周期均有很大的影响．     

对转舵桨节能特性分析

为了对对转舵桨的节能特性进行深入分析,以面元法为基础建立了对转舵桨水动力性能预报模型.对转舵桨的前桨、后桨和吊舱之间的相互扰动通过诱导速度来分析,诱导速度由面元法计算获得.为了便于对比分析,采用相同的预报模型对相应常规单桨的水动力性能进行计算.计算结果表明:在模型尺度下,对转舵桨在设计工况下所产生的推力略小于单桨,通过调整前后桨转速可使对转舵桨产生和单桨相同的推力;在产生相同推力的前提下,当前后桨转速比为1.016时,对转舵桨收到功率相对单桨减小10.8%.     

耦合黏-势流数值计算的CLT桨水动力性能预报

根据尾流收缩叶梢负载(CLT)标模桨的特殊几何形式、尾涡特性,对面元法的参数化建模、预设尾涡模型及网格划分形式进行了相应计算理论修正．为了验证改进后面元法对于预报不同端板形式的CLT桨敞水性能的适用性,改变端板参数描述建立了三组CLT桨计算模型,使用改进后面元法计算敞水性能,将面元法结果与计算流体力学(CFD)方法模拟结果对比,设计进速附近的效率差约为2%．结果表明：该面元法程序可以快速预报变端板参数CLT桨敞水性能,且预报精度满足工程要求,预报结果可作为后续优化设计和试验设计参考依据;减小原端板50%宽度,在低进速附近,推力最多提高约10%,设计剖面的表面压力分布结果与CFD方法计算结果符合较好．     

对转桨综合设计方法研究

为了设计出高效节能的对转桨,采用螺旋桨的旋涡理论分别对前桨和后桨进行设计,前桨和后桨之间的相互影响通过诱导速度来考虑,并用面元法分别进行水动力性能预报.通过实例设计分析发现:在设计进速条件下,该方法设计的对转桨与设计的单桨相比效率可提高10.24%;在一定进速范围内,进速系数越大对转桨节能效果越佳.     

一种对船桨干扰问题的黏势流耦合求解方法

基于黏性流计算流体力学(CFD)及势流理论,建立了一种黏流雷诺平均方程/面元法耦合迭代求解方法,对船桨相互作用问题进行了数值模拟.自由面的船体绕流场模拟应用CFD黏流方法,螺旋桨水动力载荷计算采用势流面元法.在黏性流场模拟中得到桨盘面处的总速度分布,减去螺旋桨诱导速度得到实效伴流速度并作为势流计算速度进口条件,螺旋桨效应以体积力的形式在黏性流场中体现.计算值与试验值的对比结果表明,黏势流耦合迭代求解方法能较好地预报船桨干扰问题,且较全域船桨离散化网格CFD求解船桨干扰的方法,计算量大为减少.该方法充分融合了黏势流方法的优点,既能计及黏性效应又能发挥势流快速准确的优势,能够拓展应用于船体及螺旋桨性能预报及设计优化的研究.     

基于速度势面元法的风力机风轮三维气动性能预估

大型风力机风轮气动设计和性能分析需要更加准确、快速的预估方法。风力机风轮三维流场具有低Mach数、高Reynolds数的特点,该文把风轮流场简化为有势流场,将叶片表面和尾迹视为有势流场的边界,采用速度势方程作为流动控制方程,使用面元法进行求解,建立了风力机风轮三维气动性能数值计算的模型,并编制了计算程序。同时,还建立了适用于水平轴风力机的尾迹迭代求解方法,考虑了表面摩擦阻力对风轮转矩和推力的影响,提高了计算精度。与实验结果对比证明,该方法具有很好的计算准确性,为进一步研究常规运行工况下的风力机风轮气动性能,特别是大型变速变桨风力机气动性能提供了一个准确、快速的预估方法。     

导管螺旋桨定常性能理论计算

建立了计算导管螺旋桨在均流中的定常水动力性能的数值方法，螺肇桨用涡格法，导管用面元法分别计算，两者的相互影响则通过迭代计算加以考虑，为了减少计量量，螺旋桨对导管的诱导速率周向平均值，从而使导管周围的非定常流动简化为定常对称流动，应用本法地ＪＤ简易导管桨系列进行了计算，数值结果试验数据吻合良好。     

带制流板舵在螺旋桨尾流中的水动力性能

提出了一种计算带制流板舵在螺旋桨尾流中水动力性能的方法，舵的水动力及周围流场用面元法计算，螺旋桨性能及尾流场通过无限叶数的简易螺旋桨理论来预估，而舵上下制流板的影响则应用升力面的涡格法来计算，舵、制流板、螺旋桨的干扰作用以迭代方法求得，由于采用了面元法，舵的水动力性能及表面压力分布的计算更为精确，文中不对带制流板舵的操纵性能进行计算和研讨，计算结果与实验值比较，吻合程度良好。     

襟翼舵水动力性能研究

对襟舵在螺旋桨尾流中的水动力性能及其桨舵干扰进行了研究，舵的水动力及周围流场用面元法计算，螺旋桨性能通过无限叶数的简易螺旋为预估，桨舵干扰作用以迭代方法求得，由于采用限面元法计算襟翼舵的性能，可以更为精确地反映较为复杂的襟翼舵表面形状对水动力性能的影响，文中还对螺旋桨尾流中反应舵的表面压力分布及操纵性能进行了计算和研讨 。     

粒子群算法在大侧斜螺旋桨侧斜分布优化中的应用

为设计出具有良好侧斜分布的螺旋桨剖面，采用智能优化领域的粒子群优化（PSO）算法，结合非定常面元法对螺旋桨的侧斜分布进行了优化设计. 给出了PSO算法的数学模型及其在侧斜优化设计中的主要计算过程，并以HSP桨为母型进行设计.获取了2种纵倾方式下非定常推力系数的2阶幅值收敛情况、侧斜分布随迭代次数的收敛情况以及主桨叶在旋转1周的非定常推力系数随迭代次数的变化规律等.由计算结果可知，优化桨的非定常推力系数脉动比母型桨减小了许多，即通过改变螺旋桨侧斜分布能有效改善非均匀流场中螺旋桨的性能，进而也验证了PSO方法在螺旋桨侧斜优化设计中的可行性.     

基于面元法的吊舱推进器性能计算

为研究吊舱推进器性能,应用势流面元法开发了定常流中计入吊舱与螺旋桨桨叶相互作用的水动力性能计算方法.基于格林定理,考虑了分布在桨叶、桨毂、吊舱、支架的定常源和偶极子的联合作用,以及推进系统尾流场中偶极子代表的势流绕流的相互作用.对库塔条件进行设定,并基于三维问题的考虑,计算中引入了横向流的影响,保证随边单元上的压力相等.为满足推型吊舱螺旋桨设计的需要,给出了有关水动力和压力分布的数值模拟结果.计算结果与相应的试验数据的比较表明,计算误差在5%以内.     

基于面元法的舵球鳍组合节能装置理论

根据桨舵干扰思想,采用以速度势为基础的低阶面元法计算了均匀流中的螺旋桨与舵 舵球 鳍系统相互干扰的定常水动力性能,比较了普通舵及加装舵球、舵球鳍的舵的节能效果,并对影响舵球鳍节能效果的主要参数(舵球尺寸、鳍片尺寸和安装角度)进行了变尺度计算与分析. 计算结果表明,舵球鳍节能效果较舵球为佳,并具有节能效果最佳的尺寸及安装角度.     

基于纵倾与侧斜的螺旋桨优化设计

螺旋桨的特征参数之间相互制约、影响,共同决定着螺旋桨的水动力、空泡以及振动等性能。本文以粒子群算法为工具,基于面元法理论,以4382型螺旋桨为模型桨,以侧斜、纵倾为优化变量对其进行优化设计。侧斜和纵倾采用贝塞尔曲线拟合方式进行综合考虑,以螺旋桨的效率为优化目标,对原桨及优化桨进行水动力性能分析。优化后桨叶的效率提高,压力分布得到改善,很好的抑制了空泡的发生。