Kappel桨水动力性能模型试验研究

对已有传统螺旋桨进行改型设计得到Kappel桨.在空泡水筒中对设计的Kappel桨与传统螺旋桨进行对比试验,试验中测试了两者的敞水性能、空泡性能以及脉动压力.试验结果表明:Kappel桨的梢端弯折结构能够抑制梢部绕流;在设计点Kappel桨敞水效率比传统螺旋桨高1.44%左右.在空泡不剧烈的情况下,Kappel桨的一阶和二阶脉动压力幅值比传统螺旋桨要小.试验中的Kappel桨梢端弯折部分较早出现了局部小片状空泡,但随着空泡变强,由于受到弯折部分的阻隔,并未沿着导边发展,而是沿桨叶弦向泄出.为了提高Kappel桨的空化性能,要尽量减小梢部弯折部分叶剖面与来流作用的攻角.     

双桨船螺旋桨空泡脉动压力的试验及数值研究

为研究高速双桨船螺旋桨空泡状态下的脉动压力特性,在深水拖曳水池中开展了螺旋桨敞水试验,在大型循环水槽中使用完整船模开展了螺旋桨船后水动力性能、脉动压力测量和空泡观测试验.试验结果表明,脉动压力的最大幅值随螺旋桨转速的增加而增大,不稳定片空泡会导致脉动压力高阶分量增加;随着空泡的发展,脉动压力幅值最大位置逐渐向船体内侧移动,螺旋桨达到一定转速后,其脉动压力分布基本保持不变.采用剪切应力输运(SST)k-ω模型及流体体积(VOF)方法,建立了螺旋桨脉动压力和空泡的计算流体动力学(CFD)数值计算方法,并通过计算与试验结果的对比发现,该方法的计算结果在无空泡和高转速工况下与试验结果吻合较好.由于不能很好地对不稳定片空泡进行模拟,在其出现时脉动压力计算值偏大.计算值的衰减和试验中两桨的相位差导致靠近船体内侧的监测点脉动压力误差较大.     

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.     

螺旋桨CFD不确定度及叶形对桨叶变形的影响

为了研究螺旋桨在水动力作用下的变形特性,通过计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺平均Navier-Stokes方程并选用SSTk-ω湍流模型对438X系列螺旋桨的敞水性能进行数值模拟;针对4381螺旋桨设计了3套网格,并进行了螺旋桨敞水性能的不确定度分析;将CFD软件计算与有限元法求解相耦合,计算所得水动力载荷通过插值技术传递给螺旋桨,以分析桨叶应力分布及其叶梢处的变形情况.结果表明,在水动力载荷作用下,复合材料螺旋桨桨叶将产生明显变形,且不同螺旋桨所产生的侧斜和纵倾等均不同,在复合材料螺旋桨的设计和流-固耦合计算中必须加以考虑.     

襟翼舵的敞水及桨后水动力性能研究

采用面元法对螺旋桨与襟翼舵相互干扰水动力性能进行计算,两者之间的相互干扰采用迭代处理.计算了敞水中襟翼舵与普通舵的法向力系数,并与试验值进行了比较.敞水计算结果显示,与普通舵相比,襟翼舵的法向力系数有了较大的提高,同时襟翼舵的转舵比对于襟翼舵水动力性能的影响比较大.在敞水襟翼舵的基础上,计算了螺旋桨与襟翼舵相互干扰的水动力性能.与敞水襟翼舵相比,桨后襟翼舵在相同舵角的情况下,法向力系数增大,但增加的幅度不同.还计算了襟翼舵在转舵比为1/4、进速系数为0.5时襟翼舵某剖面在敞水及桨后的表面压力系数分布情况.     

导管螺旋桨在空泡影响下的推力特性

在动网格与滑移网格技术结合的基础上引入空化模型构造的数值计算模型,以该模型对考虑空泡因素影响的高速旋转导管螺旋桨进行直线运动时的水动力特性进行数值模拟,观察螺旋桨在线运动工作条件下空泡的发生发展过程,研究了空泡因素对直线运动中导管螺旋桨周围流场以及推力特性的影响,分析了在空泡环境下不同转速、线速度对导管螺旋桨推力特性的影响.结果表明:对于高速旋转的螺旋桨,计入空化模型进行的数值计算可以比较客观的模拟桨叶产生空泡的发生与发展过程,以及由此而引起的螺旋桨水动力特性的变化;计入空化模型后,数值模拟与实验结果之间的最大相对误差要小于不计入空化模型时的数值模拟结果,进速或螺旋桨的转速越高,两者之间的差异越明显;空泡因素对螺旋桨叶水动力特性的影响不仅仅限于吸力面,对压力面同样有不可忽略的影响.     

变沉深及波浪中的螺旋桨敞水性能

船舶在波浪中的推进性能日趋受到关注。为了提供波浪中自航分析时所需的螺旋桨敞水性征曲线,作者进行了变沉深的敞水试验,并按此用准定常方法计算得螺旋桨在规则波中的敞水性能。与模型试验比较,结果是令人满意的。     

一种超体积准则多目标遗传算法的螺旋桨叶片优化方法

为改善螺旋桨叶片敞水效率,用结合超体积准则的多目标遗传算法优化螺旋桨桨型设计.优化过程中,桨叶形状用B样条曲线拟合,利用面元法建立桨型性能模型.将计算螺旋桨升力和阻力转化为降低阻升比、桨型面积差和压力方差三个优化目标,得到优化后的螺旋桨剖面形状,并将优化前后的螺旋桨进行流体分析.结果表明,超体积准则结合多目标遗传算法进行螺旋桨叶片优化是有效的.优化后的桨型在面积差变化较小的情况下三个目标均有明显改进,螺旋桨水动力性能达到预期目标,敞水效率提升12%.     

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。     

精密机械系统综合实验装置的研制

针对高校机械类专业精密机械系统相关课程的实验教学需要,以"直线位移精密工作台"为基础,研制了精密机械系统综合实验装置。该综合实验装置不仅可以完成精密传动、精密运动测量和电机驱动等单独实验,也可以完成体现光机电一体化综合知识的精密运动控制实验。该实验平台采用CPLD(复杂可编程逻辑器件)光栅位移测量装置以及计算机控制系统,可以让学生在已有实验平台上进行主动设计,完成精密运动测量和运动控制实验,从而培养学生的动手能力和创新能力。     

叶梢尖角对导管桨性能的影响

在导管桨的实际使用中,K_a系列桨因叶梢阔而薄,边缘锐利,容易损坏和激起空泡。为此,以四种不同半径的圆弧替代叶梢尖角后进行了敞水试验。文中给出了敞水试验的结果,研究了不同半径切割对敞水性能的影响。为实际使用方便,我们对结果进行分析后,提供了按原设计图谱设计 JD 简易导管桨和具有圆弧梢部的“修正的”K_a系列螺旋桨组合的方法。     

基于CFD的螺旋桨桨叶折断水动力性能分析

基于CFD方法,对螺旋桨桨叶在不同位置折断时的水动力性能进行数值模拟。首先把CFD数值模拟结果与螺旋桨敞水试验结果进行比较,两者结果吻合良好;其次,对螺旋桨某一桨叶在不同半径处折断时的水动力进行计算,并对计算结果进行了回归;最后,对螺旋桨所有桨叶在同一半径处折断时的水动力进行数值模拟,对结果进行了回归分析。数值模拟结果与试验值吻合,回归结果可用于指导船舶的船-机-桨匹配工程实践。     

基于CFD的船舶导管螺旋桨的水动力性能研究

运用计算流体力学软件对黏性流场中导管螺旋桨的水动力性能进行了计算研究,模拟了导管螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数、导管螺旋桨表面压力分布等.首先利用UG及Gambit建立计算模型,然后在FLUENT软件中利用滑移网格(Moving Mesh)的方法计算导管螺旋桨在敞水状态下推力以及转矩.最后将计算结果与模型试验值进行比较,CFD计算结果与模型试验结果吻合.     

螺旋桨前置自由旋轮的初步研究

本文提出一种新的船舶节能和减振装置,即在螺旋桨的前方安装同轴线自由旋转的叶轮,可使伴流均匀化和产生预旋,同时旋轮还发出附加推力.文中给出了叶轮和推进器叶切面的速度多边形图和水动力表达式;分析了旋轮的叶片数、直径和转速对效率的影响.此外提出了旋轮设计的简化方法.最后,介绍了一个螺旋桨带前置旋轮的模型敞水试验,结果表明敞水效率比单独螺旋桨模型相对提高3%～4%.     

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.     

对转螺旋桨敞水性能数值预报

建立了对转螺旋桨敞水性能数值预报模型,采用雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方法结合SSTk-ω湍流模型研究了美国泰勒水池的2组对转螺旋桨的敞水性能,通过滑移网格处理前后桨之间的相对运动,分析了前、后桨非定常推力系数和扭矩系数的变化规律.通过与试验数据的比较,结果表明:采用RANS方法结合SSTk-ω湍流模型能够较准确地预报对转螺旋桨的敞水性能;对于前后桨叶数相等的对转螺旋桨,采取小的时间步长能够提高数值预报精度,而对于前后桨叶数不等的对转螺旋桨,可以适当地加大时间步长.     

大侧斜螺旋桨敞水性能的RANSEs模拟

采用求解基于雷诺时均处理的流场控制方程计算和分析了大侧斜螺旋桨在进速系数J=0.2～1.0范围内的敞水性能和流场流动特征并与实验数据进行了比较.选择SSTκ-ω二方程紊流模型对湍流进行模拟.结果表明:推力系数与实验值有很好的一致性,误差小于3%;力矩系数较实验值偏大,误差在5%以内,且变化趋势稳定;敞水效率曲线变化趋势与实验一致,最高效率点与实验相同;即使在设计工况附近,螺旋桨尾流仍然存在明显的切向旋转速度;桨叶吸力面靠近叶梢部分存在低压区;r=0.7R叶切面压差最大点位于切面最大厚度处,与切面所能承受最大压应力位置一致.最后计算确定了该螺旋桨模型桨敞水实验时对应的临界雷诺数为7.6×105,与实验情况吻合.该值较国内教科书中提到的ITTC给定临界雷诺数3.0×105要大.     

空泡水筒中螺旋桨噪声的试验研究

本文介绍上海交通大学空泡筒进行螺旋桨噪声试验研究情况及部份结果。根据试验结果,讨论了螺旋桨载荷及其径向分布、流场非均匀性等对螺旋桨噪声性能的影响。为推退叶梢空泡出现,建议桨叶梢部螺距比按公式近似估算。该式可供设计低噪声螺旋桨或减振螺旋桨参考之用。     

螺旋桨吸气及其水动力性能

本文选择一组几何相似桨模和一组直径相同桨模进行了近自由液面下变沉深、变转速的敞水试验.在分析试验结果的基础上,提出了螺旋桨吸气试验的相似准则,提供了判断发生局部吸气和全吸气的近似公式,以及吸气后螺旋桨水动力性能的近似估算方法,并探讨了吸气情况下螺旋桨轴承力的脉动.     

融合升力线理论和雷诺时均模拟在螺旋桨设计和 水动力性能预报中的应用

同时采用Lerbs非最优螺旋桨理论和Epps最佳环量分布理论,将螺旋桨升力线方法由初始设计应用扩展到敝水性能预报,对DTMB 4119、4381、4382和4497这4个螺旋桨的敞水性能曲线进行了预报分析.针对升力线方法在中度负载区间的适用限制和无法在黏性流场中考虑桨叶空化性能的缺陷,进一步将Epps方法与雷诺时均（RANS）模拟相结合,可明显提高低、高负载区间的敞水性能预报精度.Epps方法预报精度要高于Lerbs方法,能够满足工程初始分析需求.随着远离设计工况点（低、高进速系数）其预报误差变大,桨叶侧斜程度和纵倾存在也会增大预报误差.RANS模拟时桨叶切面型值由升力线方法提供,桨叶几何和六面体网格划分均采用程式化操作实现.在分析网格因素影响后,所得推力和力矩系数以及压力系数分布均匀与实验值吻合较好.在RANS模拟中加入混合物均相流空化模型后,可定量得出桨叶梢涡涡束在一定距离内的螺旋轨迹.结合桨叶最大负载截面的空化斗性能和梢涡涡束最小压力点幅值,可相对判定桨叶空化性能.构建了基于水动力性能评价的螺旋桨参数化设计和非空化与空化性能预报的数值平台.