体积力在潜艇自航因子预报中的应用

借助于CFD软件,在螺旋桨参数未知的情况下,用均匀分布的体积力模拟螺旋桨力场,对潜艇自航因子进行了预报,并与潜艇带桨自航试验数值模拟的结果进行了对比.发现:若体积力参数仅考虑螺旋桨轴向力,则潜艇阻力的计算误差可达7％,在引入螺旋桨旋转的影响后,这一误差值可降低至2％以内,同时,推力减额分数和平均轴向伴流分数的计算误差可控制在5％以内,而潜艇快速性的预报误差可控制在2％以内.用均布体积力模拟螺旋桨力场的方法,能够有效地预报潜艇伴流和推力减额分数,为螺旋桨的设计提供可靠的输入参数,也可以用于潜艇线型优化设计和快速性预报.     

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.     

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.     

船舶螺旋桨黏性空化流场数值方法

以螺旋桨E779a为对象研究适合螺旋桨黏性空化流场的数值方法.基于黏性多相流理论,在均匀入流条件下数值求解纳维-斯托克斯(N-S)方程和空泡动力学方程组来预报螺旋推力系数KT、轴向速度UX和蒸汽体积分数av.数值结果表明,增加螺旋桨盘面至压力出口的计算空间距离后KT和UX的准确性提高了约3%.螺旋桨外围圆柱形规则区域用结构网格划分可以明显改善片空化的预报.对于相同网格策略,网格尺寸在一定范围内减小对片空化位置、KT和UX的预报结果影响不大,但片空化程度预报的准确性提高23%.网格收敛指数表明网格无关性较好,标准k-ω模型使计算容易收敛,大涡模型可提高UX和湍流动能的预报精度.     

水下潜器导管螺旋桨在转艏摆动中的推力特性分析

采用多重滑移网格技术和计算流体力学(CFD)方法对作为水下潜器主要控制机构的导管螺旋桨在水下潜器各子系统流场影响下作转艏摆动时的推进特性进行数值模拟,研究了潜器组合体流场对导管螺旋桨所发出的推力的影响,对水下潜器系统中导管螺旋桨在其转艏摆动中的所发出的推力的规律进行了总结,并分析了水下潜器组合体与导管螺旋桨的水动力相互影响因素.计算结果表明:水下潜器组合体流场对导管螺旋桨的推进特性有不可忽略的影响,其中导管螺旋桨前端的鱼雷状浮体是影响其推进特性的主要因素,在其水动力相互影响区域长度范围内,浮体与螺旋桨之间轴向距离越小,螺旋桨所发出的推进力越大;鱼雷状浮体对导管螺旋桨推进特性的影响主要是通过改变螺旋桨盘面处的进速来体现.在研究水下潜器系统中导管螺旋桨推进力特性时,只有将潜器组合体与所研究的导管螺旋桨组合成为一个整体、同时将这样一个组合整体结合到水下潜器系统具体的运转环境来进行计算才能得到一种符合工程实际的结果.     

波浪条件下空投AUV入水数值模拟

针对波浪条件下空投自主式水下运载器(AUV)低速入水(伞降或低空空投)工况,采用计算流体力学方法进行数值模拟.计算了5套不同分辨率网格的AUV入水情况,证明了所采用的网格设置能很好地满足AUV入水数值模拟.分析了AUV在波峰、波谷等不同入水点处受力情况.入水点在波峰和波谷处AUV受力较大,且这两点处x方向上受力变化趋势是相反的,主要原因是水面上水质点圆周运动速度和迁移速度叠加导致的合速度方向不一致.分析了不同波浪参数和风速对AUV受力的影响,不同波浪参数和风速对AUV垂向受力影响极小,而对横向受力影响较大;相比于静水入水,波浪条件下入水受力更大.产生这些现象的主要原因是波面上水质点的横向运动.     

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.     

基于螺旋加密网格的螺旋桨梢涡空化数值模拟

基于计算流体力学(CFD)Star-CCM+软件,以船用E779A螺旋桨为研究对象,采用大涡模拟方法和Schnerr-Sauer空化模型模拟螺旋桨尖端梢涡空化.在螺旋桨可能发生尖端梢涡空化的位置上使用螺旋管为体积控制,形成螺旋加密网格,对E779A螺旋桨的梢涡空化进行更为精细的数值模拟.实验和数值模拟的水动力结果表明:本文方法具有良好的数值预报精度,推力、扭矩系数和敞水效率较为相符.在此基础上进行基于螺旋加密网格的梢涡空化数值模拟,通过模拟结果可以看出:螺旋加密区的流动得到了更为精细的模拟,并清晰展示了加密梢涡的速度和压力分布.数值和实验的空化结果比较表明:本文方法能够较好地预测螺旋桨的空化,尤其是梢涡空化的形态和规律.     

考虑螺旋桨水动力的双桨船操纵运动数值模拟

针对实桨法模拟螺旋桨旋转计算效率低且双桨船尾流场复杂,而螺旋桨体积力法一般不考虑操纵运动下尾流场不均匀性对螺旋桨水动力性能影响的问题,采用RANS方法、重叠网格技术和螺旋桨体积力法,以DTMB5415M为研究对象,进行了双桨船操纵运动数值模拟研究．首先,对DTMB5415M进行了约束模试验数值模拟,以求取操纵运动下螺旋桨的水动力性能,从而建立操纵运动下的螺旋桨修正体积力模型;然后,将该螺旋桨修正体积力模型和原螺旋桨体积力模型分别用于DTMB5415M的操纵运动数值模拟．结果表明：螺旋桨修正体积力模型相比原体积力模型考虑了船尾伴流场不均匀性对真实桨侧向力和推力的影响,可以较准确快速地进行船舶操纵运动数值模拟．     

高速船航态模拟与阻力预报CFD方法应用

中高速船在航行状态下,其航态与低速航行相比有较大的不同,对船舶的阻力有明显的影响。因此,此类船舶的阻力预报必须考虑船舶航行姿态的影响。现有公开发表的关于滑行艇垂向+纵向运动理论预报研究的资料不多见。基于Flu-ent平台对三维船体航态对阻力的影响进行研究,采用动网格技术模拟船舶的航态;同时,为了保证计算的连续性与稳定性,利用FLUENT二次开发平台,编写UDF程序,在离散的时间域内根据船体的受力对船舶运动进行干涉。计算结果表明该方法对船舶的水动力预报问题具有可行性。     

变航态推进器设计及水动力性能分析

为了改善变航态推进器的推进性能,设计了一种将前桨和后桨集成安装的水下变航态推进器.该变航态推进器采用了高速航态前桨和低速航态后桨相结合的方式,通过两个螺旋桨的转速匹配来提高推进性能.使用切割体网格划分方式对流场域进行网格划分,对推进器周围的流场进行网格加密,采用滑移网格实现螺旋桨的旋转.使用雷诺时均-斯托克斯(RANS)方法对变航态推进器的水动力特性进行了分析.从数值模拟结果可以看出:转速匹配有利于水动力性能的提升,但由于存在摩擦阻力,转速匹配不能完全抵消高速螺旋桨引入所带来的水动力性能下降;同时,旋转的前桨有助于降低后桨表面受到的不定常力.     

回转状态下导管螺旋桨水动力特性实用数值模拟方法

以数值模拟手段研究作为水下机器人主要姿态与轨迹控制机构的导管螺旋桨在回转状态下的水动力特性。首先根据所要计算的导管螺旋桨的几何要素构造导管和螺旋桨的三维几何模型,在此基础上采用动网格技术以计算流体力学方法借助计算流体力学软件Fluent,采用有限体积法在导管和螺旋桨所在的流域内求解其N-S方程以此对在作回转运动的水下机器人流场作用下导管螺旋桨以一定转速和一定来流方向下所产生的推力特性进行数值模拟分析,观察在水下机器人主体流场干扰下螺旋桨推进器的水动力现象。为验证所采用的预测导管螺旋桨水动力特性数值方法的有效性,在Ka 4-70/19A标准导管螺旋桨已有实验数据的基础上,将数值模拟结果与试验结果进行比较,对比结果表明本文所采用的数值方法是可靠的。     

空化流中具有升沉运动状态的螺旋桨数值模拟

基于雷诺平均纳维-斯托克斯方法对空化流中具有升沉运动状态的螺旋桨进行了数值模拟,螺旋桨旋转与升沉运动的耦合采用自主定义的运动方程来实现,升沉运动简化为基于正弦函数运动规律的周期性运动,非定常流场的数值传递采用重叠网格技术实现.对不同升沉运动周期下的螺旋桨非定常推力系数、扭矩系数进行了分析,对螺旋桨的非定常空泡性能以及尾流特征进行了对比研究.结果表明:升沉运动会加剧推力系数和扭矩系数的非定常特性,并导致螺旋桨片空泡的非均匀分布;升沉运动周期越小,桨后涡结构的干扰效应越强,螺旋桨诱导的脉动压力幅值越大.计算结果对螺旋桨的优化设计具有一定的理论参考意义.     

全浸没螺旋桨吸气机理及水动力性能数值模拟

为研究螺旋桨与自由液面的相互作用关系,基于RANS方法,采用滑移网格(SM)方法及流体体积函数(VOF)方法对全浸没螺旋桨的吸气现象进行数值模拟,详细分析了螺旋桨与自由液面的相互作用关系及吸气对螺旋桨的水动力性能的影响。结果表明,螺旋桨的推力、转矩等会受到浸没深度及进速系数的影响,产生推力损失及转矩损失;螺旋桨的吸气会引起自由液面的变形,这种不规则的、瞬时的变形情况使得螺旋桨的性能变得极其复杂;同时,由于自由液面的影响,桨叶的压力分布会呈现明显的不对称性,会产生除推力之外的水平侧向力及垂向力。     

非线性涡格法预报桨后舵附推力鳍水动力性能

对螺旋桨与舵附推力鳍分别采用升力面法和非线性涡格法计算.螺旋桨、舵附推力鳍两者之间的相互干扰采用迭代计算.数值计算过程中考虑了推力鳍端部分离涡的影响,提高了理论预报的准确性.螺旋桨尾流区分为过渡区和远尾流区.过渡区长度取3.0D,以使舵附推力鳍完全处于螺旋桨尾流的过渡区内,过渡区采用圆锥螺旋面来模拟涡片的变形现象.对影响推力鳍助推效率的几个主要参数进行了变尺度研究.并将结果与前人的计算结果进行了对比,计算结果显示螺旋桨后的舵附推力鳍助推效率随着安装角的改变而显著变化.存在最佳安装角,大约为5°,离开这个最佳安装角,推力鳍的助推效率将下降;推力鳍的展长与螺旋桨半径之比在0.9左右时推力鳍的助推效率最高;螺旋桨进速系数越小,推力鳍的助推效率越大.     

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.     

基于修正的REMUS水下机器人模型的运动仿真

将Timothy Prestero提出的REMUS水下机器人的数学模型进行修正之后应用到某水下机器人上,结合某水下机器人的各水动力系数和参数进行运动仿真.原REMUS模型中的舵力(矩)和螺旋桨推力(矩)是通过相关艇体水动力系数来表征的,而修正的模型使用升力系数和阻力系数来得到舵力和力矩,使用插值的方法来得到螺旋桨的推力和力矩.基于此修正的REMUS模型,进行水平面直航运动、垂直面纯下潜运动、全回转运动、水平面Z型运动、垂直面梯形运动以及定常螺旋下潜运动的仿真和分析,以验证将此修正的REMUS模型应用于某水下机器人上的可行性.     

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.     

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.
     

螺旋桨尾流-自由叶轮耦合作用的数值模拟

为了探讨螺旋桨尾流与自由叶轮的耦合作用,使用SST(剪应力输运)湍流模型对螺旋桨-自由叶轮流场进行数值模拟.使用切割体网格划分方式对流场域进行网格划分,使用滑移网格方法实现螺旋桨和自由叶轮的运动.分析了自由叶轮对螺旋桨尾涡的切割作用,对自由叶轮桨叶上受到的脉动压力和应力分布进行分析.数值模拟的结果表明:自由叶轮桨叶表面上的压力具有明显的周期性,这一周期性和螺旋桨推力脉动的周期性相一致;在近导边处,叶背上脉动压力的幅值大于叶面上,而在其他位置,叶面上的脉动压力幅值大于叶背上,叶背上的脉动压力的幅值由导边向随边减少;在不考虑重力的情况下,自由叶轮上的应力分布与自由叶轮表面压力分布一致,而在考虑重力的情况下,应力分布发生改变且应力值增大.