高速摩托艇喷水推进器性能分析及其改进

为改进某高速摩托艇喷水推进器推进性能,运用计算流体力学方法通过求解雷诺时均的控制方程,计算喷水推进泵和“喷水推进泵+进水流道+格栅+船体”的流场特性.利用CFX软件进行后处理,分析喷水推进泵和“喷水推进泵+流道+格栅+船体”的流场特性,针对其流道内存在涡流及推进效率偏低现象,提出对流道几何进行优化的处理方案.通过对进水流道进行优化设计,喷水推进效率提高6％.     

喷水推进器进水流道在来流含气条件下的内部流动特性分析

为了研究喷水推进器进水流道在来流含气条件下的内部流动特性,以轴流式喷水推进器为研究对象,对喷水推进器在不同来流含气条件下进行全流域定常数值仿真,得到了不同来流含气条件下进水流道各截面气相体积分数分布特征和不均匀度变化规律.计算结果表明：在低航速区间时,进水流道内流量小、流速低,受管道几何结构影响,下部弯管处流体堆积现象明显,随着航速的升高,流量增大、流速提高,流体在上部弯管处产生流动分离,导致堆积区向上部弯管转移;在来流含气条件下,进口含气率和气泡直径的增大,会导致气液两相干涉作用变强,造成气体堆积现象加剧,影响流面的不均匀度.     

平进口喷水推进器进水流道多目标优化设计

为了提高喷水推进器进水流道的水力性能并考虑空化性能,以水力效率、出流不均匀度和垂直度为优化目标,以进水流道内压力最小值为约束条件,对平进口式进水流道开展了多目标优化设计.采用参数化设计方法对进水流道进行三维建模,通过优化拉丁超立方试验设计方法生成75组样本,通过Kriging模型建立了设计变量与优化目标之间的近似模型,采用NSGA-II(改进的非支配排序遗传)算法在设计空间内进行全局寻优.敏感度分析结果表明:流道进口长度、水平直管段长度、下侧倾斜直管段的长度对优化目标的影响最大.与初始设计相比,在进速比为0.7时,优化后进水流道的不均匀度为0.188、垂直度为87.84°、水力效率为94.58%;优化后的进水流道对不同进速比都具有较好的适应性.     

喷水推进器进流面获取方法及其应用

针对国际拖曳水池会议(ITTC)推荐的动量流量法需要确定喷水推进器流道进流面的问题,提出了简单实用的基于流线法的进流面获取方法,并采用MATLAB语言开发成程序,使这一过程大大简化,提高了效率.在此基础上,采用稳态多重参考系(MRF)模型,通过求解RANS方程对不同转数下喷水推进器的性能进行了数值计算与分析.研究结果表明:该方法可以准确获得进流面形状,并可给出进流面形状的参数化表达;进流面形状、泵前进口面速度分布以及唇部流动分离点位置都随转速变化而变化.所提出方法具有一定的实用性,可用于喷水推进器性能的预报.     

基于流动诱导噪声的喷水推进泵进水流道优化

为降低喷水推进泵流动诱导噪声,以进水流道倾斜直管的倾斜角、唇部圆角半径、纵向总长、过渡弯管半径及进水口形状为优化参数,对进水流道结构进行了组合优化．基于分离涡混合模拟和声学有限元方法建立了喷水推进泵流动诱导噪声数值计算方法,并通过试验结果验证了数值计算方法的可靠性．基于数值计算,分析了不同进水流道方案下喷水推进泵的水动力性能、压力脉动特性和流动诱导噪声特性．结果表明：最优方案下喷水推进泵推力提高0.103%,扭矩提高7.7%;压力脉动幅值整体下降;流动诱导噪声主频处声压级幅值下降1.8 dB,全频段总声压级下降1.0 dB,中低频段和高频段总声压级分别下降1.0 dB和3.5 dB.     

虹吸式出水流道内流数值计算与水力设计优化

采用有限容积法、非结构化网格和SIMPERC算法,数值模拟了虹吸式出水流道内部三维流动,数值计算的有效性和可靠性得到了物理模型试验结果的验证.通过计算流道关键断面的速度分布均匀度和流道的水力损失,定量评价虹吸式出水流道水力设计的优劣,实现了虹吸式出水流道水力性能预测,依此开展水力设计优化,可节省大量的试验经费和时间.     

CFD辅助液压集成块管网优化设计

针对液压集成块(HMB)的结构优化设计问题,应用计算流体动力学方法(CFD),从提高块内管网液流的性能品质出发,建立了求解区域的几何网格及三维瞬态数值模拟的初边值条件.通过对管网典型流道结构数值模拟,定性地分析了液流在正交管路中的流态,得到了典型流道的结构形式对液阻性能的影响规律,进而提出流道在几何结构上的改进措施.HMB管网内流系统三维数值模拟结果表明,采用CFD方法研究HMB流道中典型结构的设计问题可以较准确地获得管网流场的基本结构特征,得到较为理想的管道布局结构,有效提高块体结构优化设计品质.     

斜流式喷水推进器内部三维紊流流动的数值模拟与性能分析

应用数值模拟方法研究斜流式喷水推进器内部紊流流场,基于紊流流场计算分析了其特性.采用三维贴体坐标网格对计算区域进行剖分离散,选择k-ε双方程紊流模型,应用SIMPLEC数值方法计算内流场各流动参数,进而根据流场的计算结果预测了该推进器内部泵在不同工况下的性能.计算结果与实验结果进行了对比,二者有较好的一致性.     

浅析泵站工程进水流道的选型和设计

进水流道选型和设计合理与否影响水泵叶轮进口处的流速分布和压力分布,对水泵的实际运行性能有影响。进水流道形状尺寸不当,流道内可能产生涡带,降低水泵效率;涡带进入水泵,还可能造成机组震动。进水流道是水工结构的一部分,其形状尺寸直接影响泵站投资和施工难易。因此,合理地进行流道选型和设计,不论对水泵运行和工程投资均有很大意义。本文以设计实例浅谈如何合理进行进水流道的选型和设计,为今后同类工程提供参考。     

基于CFD流动分析的泵站肘形进水流道水力特性研究

肘形进水流道是在大型泵站中最常用的流道形式,它与喇叭管进水流道相比具有水力损失小和宽度较小的优点．本文基于质量加权平均的流速均匀度优化目标函数和重整化群湍流模型,应用SIMPLEC算法,计算了泵站肘形进水流道内定常流动．基于FLUENT软件的CFD（computatical fluid dynamics）流动计算,获得了肘形进水流道内部三维流动规律：其内部水流为逐步收缩的运动,分为水平收缩段、肘形弯管段和垂直调整段3个阶段．通过分析肘形流道各个断面的轴向流速分布,提出了新的叶轮名义高度的取值范围,并给出了流道主要控制参数的取值范围．计算流场与实验结果进行了比较,两者较为吻合,这表明采用计算模型和方法是可靠的．提出了新的优化设计思路,即先按照控制主要参数尺寸进行流道轮廓线进行设计,然后设计进水流道的各过渡断面,按照各断面平均流速光滑变化进行控制,最后通过CFD技术进行流场细节分析和水力优化．这将大大减少水力优化设计的工作量和难度．     

装有格栅的进水流道进水口流通能力的研究

运用计算流体动力学方法,分析了某喷水推进高速巡逻艇航速未达设计值的原因,对其中一个重要原因“进水口和格栅设计不当造成喷水推进泵流量偏离设计值进而致使喷水推进泵效率降低”进行了分析,提出了装有格栅的进水口“流通能力保持不变”的设计准则并应用于该实例进行验证．在此基础上总结了装有格栅的进水流道的一般设计方法：先设计一个最优的无格栅进水流道及进水口,运用“流通能力基本保持不变”准则再为加装格栅后的最优进水流道重新设计进水口．     

Structure Optimization of Air Filter Based on Parametric Sensitivity

As the supporting supplier of the main engine plant, the general air filter manufacturers have insufficient technical reserves. The structural optimization of air filter is often based on the bench experiment, which has high implementation cost and poor performance. In view of this, taking computational fluid dynamics(CFD) as the basic technical means, an optimization design method based on parametric sensitivity combined with equidistant search was proposed. Specifically, the sensitivity of local structure parameters to pressure loss was analyzed by taking local structure of air filter as the object. According to the sensitivity, the method of equidistant search was used to optimize the parameters in order, so as to achieve the goal of overall optimization. After optimization, the pressure loss decreased by 45.13% and the effect was remarkable.     

导叶可调式液力变矩器流场模拟与PTV验证

为研究导叶可调式液力变矩器的内部流动特性,以循环圆直径为320 mm导叶可调式液力变矩器作为研究对象.采用计算流体动力学(CFD)方法对其不同开度、不同工况下的内部流动状态进行数值模拟,并对相应的透明模型进行粒子跟踪测速(PTV)试验验证.同一开度下,随着转速比的增加,可调导轮内部液流速度增加,液流方向与叶片进口方向的夹角增大;在制动工况时,叶片工作面有漩涡现象,而空载工况时,叶片非工作面有漩涡产生.对比试验与数值模拟内流场结果,发现后者可以比较准确地预测导叶可调式液力变矩器的内部流动特性.该结论为研究导叶可调式液力变矩器内部流动状态,预测外特性及其设计优化提供了方法和依据.     

喷水推进器与螺旋桨工作特性的差异及分析

采用计算流体动力学（CFD）方法模拟了某典型喷水推进器和螺旋桨周围流场,得到流场随进速比的变化规律.借助于机翼理论,从叶元体受力角度分析了进速比对喷水推进器和螺旋桨负荷的影响.结果表明：从设计进速比到零进速比,喷水推进器叶片来流攻角变化不大,同一半径处攻角增大不到2°,力矩系数增幅仅在5%以内;而螺旋桨同一半径处的攻角可增加10°以上,零进速比时的力矩系数是设计进速比时的2.16倍,这说明即使在低进速比条件下,驱动喷水推进器的主机也不易超负荷,而驱动螺旋桨的主机则恰好相反.     

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.     

利用化工过程余热的有机工质向心透平气动性能分析

针对化工蒸馏过程产生的余热(121~146℃),采用R600a工质,进行了150kW级的有机工质向心透平初步设计.在通过一维气动计算获得有机工质向心透平初步结构参数和性能参数的基础上,采用计算流体动力学(CFD)数值模拟研究了有机工质向心透平设计工况的气动特性,获得了总体性能及流场分布情况.研究结果表明,在透平入口温度110℃、透平入口压力1.6 MPa条件下,有机工质向心透平质量流量4.17kg/s、压比3.2、效率82.7%、输出功率150.5kW,在设计工况下流动顺畅,效率高,满足有机工质发电系统对膨胀机的要求.研究成果可以为化工过程余热利用的有机工质向心透平设计提供基础数据.     

内燃机进气道流场的CFD计算

内燃机进气道的传统设计方法是利用稳流实验台反复进行对比实验获得理想的模型数据。计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics简称CFD）技术可以对气道的CAD模型进行流场模拟，并进行可视化显示。本文利用CFD技术对某型号385柴油机的进气道流场进行了三维模拟计算，并对结果进行了分析，验证了其有效性。说明CFD技术可以指导内燃机的气道设计，具有较高的实用价值。     

基于CFD方法的船体下水水动力分析

为给船体下水提供水动力参数,采用计算流体动力学(CFD)方法对船体从船台上纵向重力式下水过程进行动力学分析.计算每一时刻的流场压强和船体所受水作用力(矩),并通过求解船体运动方程获得船体运动的速度和滑程.数值预报结果与经验公式以及试验比较均表明,该方法计算所得运动参数与试验偏差较小,可满足工程精度要求.     

基于FLUENT的柴油机排气歧管内流场的数值模拟

建立了柴油机排气歧管的计算流体动力学(CFD)模型,应用Fluent软件分析各歧管分别排气时,排气管内的流动特性,通过计算各支管流量的均匀性以及流场的流通性来衡量排气歧管设计的好坏.数值模拟结果表明各支管分别排气时的进、出口质量流量较为均匀,流场中的气体流动基本顺畅,没有明显的旋涡存在,但一些区域动压较大.为减少能量损失,对排气歧管进行了结构改进,改进后的流场数值模拟结果表明动压较大区域有明显改善,流速分布更有利于排气.因此,通过CFD技术研究歧管结构形状对流场的影响,能够为优化排气歧管的结构设计,减小流动阻力,改善排气效果提供理论依据.     

螺旋桨多种工况敞水性能数值预报

为快速、简便、低成本地获取螺旋桨多种工况下推力系数和转矩系数,根据螺旋桨基本参数,推导并建立空间三维螺旋桨型值点数学模型,并采用Matlab语言进行编程,将计算得到的型值点导入前处理软件,建立光滑的三维螺旋桨模型.以某型AU桨为研究对象,运用计算流体动力学(CFD)方法对其在黏性流场中的正车前进、正车后退、倒车前进及倒车后退4种工况的敞水性能进行数值模拟,给出不同进速系数时的推力系数、转矩系数、桨叶表面压力分布.结果表明,绝大部分计算值与试验值吻合良好,可满足工程应用的要求.