吊舱推进器定常水动力性能

采用CFD方法对吊舱推进器黏流水动力问题进行了数值研究.基于混合面方法,在均匀来流情况下,数值预报吊舱推进器定常水动力特性,获得其推力系数、转矩系数等水动力性能参数.以单桨拖式吊舱推进器为例,与试验结果对比,获得了很好的预报精度,能够为工程实际应用以及优化设计提供可靠的流动信息.     

串列式吊舱推进器操舵工况水动力试验研究

利用船模拖曳水池及自行开发的吊舱推进器测量系统,对双桨串列式吊舱推进器在直航及操舵工况下的水动力性能进行了模型试验研究.在进速系数为0~1.08,舵角为0~90°范围内测量了前后桨的推力和扭矩,以及吊舱单元(包括舱体及前后桨)整体推力、侧向力和转舵力矩.结果表明:前桨受吊舱舱体及后桨的影响较小,后桨则受前桨及舱体的影响较大;吊舱推进器推力随舵角的增加而减小,侧向力及转舵力矩随舵角的增加而增加.     

吊舱式推进器偏转工况下水动力性能

针对吊舱推进器的关键技术,探讨了吊舱推进器在偏转状态下的水动力性能.利用空泡水洞以及吊舱动力仪进行了吊舱推进器在偏转工况下的一系列试验研究,比较分析了不同偏转角下吊舱推进器水动力性能.同时,结合RANS（Reynolds averaged Navier-Stokes）方程和RNG（Random number generation） k-ε湍流模型,运用滑移网格方法对吊舱推进器在偏转状态下水动力性能进行了数值模拟,并将试验结果和数值结果进行了比较分析.结果表明：偏转角度越大,试验值与计算值偏差越大,尤其是吊舱推进器沿来流方向推力的偏差较大,但总体变化趋势较为一致.
     

L型吊舱推进器直航及操舵工况水动力性能试验研究

针对L型吊舱推进器的结构特点自行研发了一套水动力性能测量装置,并利用船模拖曳水池实验室对其敞水性能进行了试验研究.试验测量了直航状态下进速系数在0~1.3内的螺旋桨推力、转矩以及吊舱推进器单元整体的推力和侧向力等相关性能,并对3个不同进速系数下L型吊舱推进器以0.139 6rad/s的操舵速率进行动态操舵时的螺旋桨及吊舱整体的水动力性能与静态操舵时的水动力性能进行对比.研究发现,右旋桨L型吊舱推进器在向右动态操舵时螺旋桨整体上的推力要较静态操舵状态的大,而转矩偏小,吊舱单元整体受力变化较为复杂.     

吊舱推进器桨毂间隙影响的数值分析

以拖式吊舱推进器为对象,采用求解RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程的方法研究桨毂间隙对水动力性能的影响,应用滑移网格技术处理桨叶与吊舱的非定常相互作用.分别计算了具有不同间隙宽度的模型,以考察有、无间隙以及间隙宽度变化对推进器各部分水动力的影响.计算结果表明:桨毂间隙对推进器单元水动力及桨叶水动力的影响均很小;桨毂间隙内压力作用于桨毂后端面形成推力,其大小约为桨叶推力的2%～3%;桨毂后端面与桨叶随边的距离一定时,间隙内压力随间隙宽度的增大而降低.     

吊舱推进器桨毂间隙影响的数值分析

以拖式吊舱推进器为对象,采用求解RANS（Reynolds Averaged Navier Stokes）方程的方法研究桨毂间隙对水动力性能的影响,应用滑移网格技术处理桨叶与吊舱的非定常相互作用.分别计算了具有不同间隙宽度的模型,以考察有、无间隙以及间隙宽度变化对推进器各部分水动力的影响.计算结果表明：桨毂间隙对推进器单元水动力及桨叶水动力的影响均很小;桨毂间隙内压力作用于桨毂后端面形成推力,其大小约为桨叶推力的2%~3%;桨毂后端面与桨叶随边的距离一定时,间隙内压力随间隙宽度的增大而降低.     

吊舱推进船舶操纵性仿真研究

为进一步提高吊舱推进船舶的操纵性能,根据船舶在操纵过程中的运动状态,建立了吊舱推进船舶综合仿真模型。分析吊舱推进器推力大小、回转角度与船舶操纵的关系,改进了现有三自由度非线性船舶运动方程,提出了吊舱推力矢量模型以及具体计算方法。在Matlab平台下分别实现了吊舱推进船舶和传统推进船舶模型的仿真,并比较了这两种船的回转操纵和Z形操纵性能。结果表明该模型能正确地反映吊舱推进船舶操纵运动状态并为吊舱推进控制技术的研究提供了可信的数学模型。     

用非定常面元法预报拖式吊舱螺旋桨水动力性能

用非定常面元法对拖式吊舱推进器的水动力性能进行求解,吊舱和螺旋桨的相互干扰通过诱导速度迭代处理.与将相互诱导速度在周向上进行平均的处理方法相比,文中的方法真实考虑了螺旋桨和吊舱相互影响的非定常性.为了节省计算时间和存储空间,对螺旋桨的求解只在主叶上进行.结果表明,该方法能够对吊舱推进器在均匀来流和在非均匀来流中的水动力性能进行计算.将敞水条件下的计算结果同试验结果进行了比较,两者有较好的一致性.     

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.     

吊舱对螺旋桨水动力性能的影响

基于单桨式吊舱推进器定常水动力性能的理论计算方法及试验，探讨了吊舱对螺旋桨水动力性能的影响。性能理论计算中螺旋桨采用升力面理论涡格法，吊舱采用面元法，对螺旋桨与吊舱的相互影响进行了时间平均及迭代处理。通过计算分析了吊舱对桨叶载荷分布的影响，以及吊舱引起的伴流分布特性。     

摆线推进器系柱特性研究

为探究摆线推进器系柱工况时在不同偏心点时的水动力性能以及流场分布情况,使用NACA0012建立摆线推进器,运用计算流体力学(CFD)技术对其在系柱工况下不同偏心点的水动力性能进行模拟。使用RANS方程计算流场扰动,应用重叠网格技术进行网格划分,模拟推进器的转动;将使用该方法的典型工况结果与文献中的结果进行对比,验证所使用方法。基于上述计算方案,得到了推进器在不同偏心点下的推力系数曲线,流场与涡量场分布。研究结果表明,摆线推进器产生的推力大小方向随着偏心点的位置而改变,脱落涡与叶片间的相互作用是引起推力波动的主要原因。     

艇桨及外挂吊舱之间水动力性能干扰分析

基于CFD技术,采用RNGk-ε湍流模型及混合网格技术,数值模拟了某潜器孤立艇体、孤立螺旋桨、艇体吊舱模型、艇桨模型以及艇桨吊舱模型的水动力性能.分析了艇体、螺旋桨以及吊舱之间的相互干扰.计算结果显示:吊舱对艇体阻力和螺旋桨推力干扰较小;直航时,由于吊舱的存在,艇体吊舱模型产生了纵倾力矩以及升力,艇体阻力略有减小;艇桨干扰对艇体表面压力分布影响较大,以1.5m/s匀速航行时,由于螺旋桨的存在,艇桨模型中艇体总阻力增加18.03%,艇桨吊舱模型中潜器(艇体和吊舱)总阻力增加17.63%.     

船-泵相互作用对喷水推进器推进性能的影响

为研究喷水推进船快速性预报中船体与喷水推进器相互作用机理,借助于计算流体力学(CFD)方法研究船-泵相互作用对喷水推进器推进性能的影响.通过计算由k-ε湍流模型封闭的RANS方程,分别得到敞水条件下和考虑船体斜升角、纵倾等因素影响的装船后喷水推进器的三维黏性流场,敞水条件下计算结果与试验数据的良好吻合验证了数值模型和方法的可信性.不同斜升角和纵倾模型计算结果表明:船体斜升角和横倾对喷水推进器推进性能影响很小;船体尾升角和纵倾角的变化改变了船体边界层,对喷水推进器推进性能和作用因子影响很大;纵倾角由正变负,喷水推进器对船体边界层的利用增强,使流量变小,功率、推力和扬程变大;进流动量系数、进流能量系数、动量作用效率和能量作用效率均减小.喷水推进器也反作用于船体,产生使船体纵倾角减小的力矩.     

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%.     

轻载下的螺旋桨空化流场数值模拟

以PPTC′11(Potsdam Propeller Test Case 2011)桨为研究对象,基于均质混合流模型及ZGB和Sauer空化模型,通过对网格形式、网格密度和空化参数的探讨,对第2届船舶推进器国际研讨会(SMP′11)上的轻载空化算例Case 2.3.3进行了螺旋桨空化流场及水动力数值计算.结果表明:轻载下的螺旋桨推力系数和转矩系数对网格密度要求较高;给出的计算方法可准确预报螺旋桨水动力及梢涡与叶背、叶面片空泡;螺旋形网格是一种有前景的梢涡空泡捕捉方式;含气率及气核密度等参数对计算结果的影响较大.     

鱼雷推进性能的经验公式与计算流体力学预测

采用理论预测和计算流体力学（CFD）2种方法对某型导管推进器的鱼雷推进性能和雷体、推进器的水动力性能进行预测分析.结果表明：在航速10.29~25.72 m/s条件下,通过CFD计算的无附体雷体阻力系数与平板摩擦阻力系数和剩余阻力系数之和相差5.2%,即适用于雷型特征的阻力经验公式的精度较高;在进速系数为1.6~2.0时,导管推进器敞水性能曲线的CFD计算值与实验值较吻合,误差小于5%;通过CFD法计算的雷体尾流中推进器的推力、力矩和推进效率与适用于对转桨推进鱼雷经验公式的计算值相差均小于5%,说明适用于对转桨推进鱼雷的推进性能经验公式也适用于导管推进器.     

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.     

作业型ROV推进器动力学建模与响应分析

为研究深海作业型遥控水下机器人（remotely operated vehicle,ROV）液压推进器控制系统的动力学响应特性,建立了一种考虑螺旋桨动态负载影响的伺服阀控制液压推进器动力学系统的数学模型,提出一种伺服阀控制液压推进器的马达流量、压力、扭矩、转速、螺旋桨转矩和推力的求解方法.通过数值仿真,分析了不同控制电压下伺服阀、液压马达和螺旋桨的动态响应过程及特点,建立了推力分配方法中推力简化约束模型,并得到了期望推力和推进器控制电压之间函数关系的数学模型.与推进器水池试验结果相比,本文仿真结果准确可信.这种完整和准确的液压推进器动力学系统的数学模型,对实际水下机器人和动力定位船舶的运动控制方法、推力分配策略及推进器控制的研究,具有一定的指导意义和工程价值.      

基于体积力法的船体自航性能数值预报

为实现船舶自航性能的快速预报,应用计算流体力学（CFD）方法,采用一种便捷的描述型体积力模型替代螺旋桨的作用,分别在无舵实船自航点和有舵模型自航点2种条件下对MOERI(Korea Research Institute for Ships and Ocean Engineering)集装箱船(KCS)的黏性自由面流场进行了数值模拟.依据等推力法、敞水计算和螺旋桨敞水曲线等,计算船体自航性能相关参数.计算结果与试验结果吻合良好.研究结果表明,使用描述型体积力法可以便捷而较为准确地预报船体自航性能.     

螺旋桨粘流水动力特性数值模拟

采用人工伪压缩方法对常规螺旋桨粘流问题进行了数值模拟,获得了螺旋桨推力系数、扭矩系数等水动力性能参数.以DTMBP4119螺旋桨为例,对其计算结果的网格依赖性和湍流模型的适应性问题进行了数值分析.与试验结果对比,计算结果吻合度好,表明数值方法正确,程序准确、可靠,能够对常规螺旋桨进行有效地理论研究、数值预报.