基于大涡模拟的螺旋桨梢涡数值分析

为研究螺旋桨的梢涡脱落规律,基于STAR-CCM+软件平台,采用重叠网格技术和大涡模拟方法,通过求解纳维-斯托克斯方程,对螺旋桨的速度场和涡量场进行了详细的研究,并且比较了不同进速系数下螺旋桨梢涡形态的差别.数值研究结果表明:基于正交网格的大涡模拟能够较好地模拟螺旋桨的梢涡形态,低进速系数下螺旋桨的梢涡强度增大并且显得比较紊乱;高进速系数下螺旋桨梢涡则呈现出比较规则的螺旋涡管形状.     

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.     

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.
     

螺旋桨初生空化湍流的多相流数值模拟

摘要：
同时采用修正剪切应力输运(SST)湍流模型和Baseline雷诺应力模型（RSM）求取了E779A螺旋桨在无空化状态和初生空化状态下的梢涡运动轨迹,分析了涡核最小压力系数、湍动能、轴向速度分量和涡核半径沿运动轨迹的变化,并从模拟得到的梢涡卷曲起始和梢涡涡束的角度阐述了梢涡形成机理.空化模型采用改进Sauer模型,考虑了非凝结性气核质量分数、体积分数和气泡初始半径以及湍流脉动的影响,并针对轻度、中度和重度空化面积进行了可信性校验.当空化数σ>初生空化数σi时,叶梢截面压力系数分布相对不再改变的判定准则来确定.涡核中心位于螺旋线垂向截面上最小压力点,涡核边界由湍流涡频率峰值决定.数值模拟结果表明,RSM模拟梢涡路径较修正SST湍流模型稍长、局部梢涡空化范围略大、叶梢最小压力系数和轴向速度分量要小,涡核湍动能分布更为合理.但两者模拟得到的涡核运动轨迹几乎重合,并且初生空化状态下的涡核运动轨迹、最小压力系数和轴向速度分布均与各自无空化状态下非常接近,表明了初生空化状态判定的正确性和改进数值模型对梢涡运动轨迹模拟的适用性.     

考虑旋转和曲率修正的螺旋桨梢涡流场模拟

应用显式代数雷诺应力湍流模型对螺旋桨尾流中梢涡流场分布进行了数值研究,为了避免过高地预报梢涡涡核内湍流黏性耗散,对湍流模型进行了旋转和曲率修正．应用全六面体网格对螺旋桨计算域进行网格划分,为了避免数值离散误差,对梢涡区域进行了网格加密处理．计算结果表明：提出的尾流中梢涡流场分布数值模拟方法能够准确预报螺旋桨梢涡流场的分布及涡核位置,并准确反映了梢涡形成和发展过程中梢涡内主涡和次涡的关系,与实验测量结果基本一致．     

非均匀流场螺旋桨空泡数值模拟

以某油船螺旋桨为研究对象,基于Rayleigh-Plesset方程,采用Schnerr-Sauer空化模型和可实现的k-ε两层湍流模型,利用计算流体力学(CFD)软件STAR-CCM+模拟了非均匀来流条件下螺旋桨的空泡形态.通过对螺旋桨叶梢区域进行有效合理的网格加密,以较少的网格数量成功捕获梢涡空泡.数值计算与试验结果对比表明:计算结果准确再现了桨叶进出伴流区域空泡初生、发展和溃灭的整个历程;每个相位角叶背片空泡形态与试验观察吻合,片空泡面积相差在5%以内;该数值方法虽然能够捕捉到梢涡空泡,但是还不能对梢涡空泡的非定常特性和空间结构进行准确预测.基于上述结果,该方法适用于非均匀流螺旋桨空泡流动模拟.     

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.     

用升力面方法估算螺旋桨空泡

本文提出了用数值升力面理论求解三维空泡螺旋桨问题的准定常方法.表征螺旋桨负荷、厚度和空泡的奇点系及满足边界条件的控制点均置于拱弧面上。尾涡模型划分为过渡区和远尾流区,过渡区用圆锥螺旋面来模拟尾涡片的变形现象,远尾流区简化为桨叶数的集中等螺距梢涡和一根直线毂涡模型。空泡模型用半闭式.计算结果与实验值吻合良好。     

三维水翼初始梢涡空泡数的尺度效应

针对梢涡流场和初始梢涡空泡数的尺度效应问题,利用大涡模拟(LES)湍流模型对三维水翼的梢涡流场流速进行模拟计算;为减少误差,对梢涡流域网格进行了局部加密处理,对未发生空化时梢涡内的轴向速度和切向速度进行计算.结果表明,LES湍流模型的流场流速计算结果与实验值吻合较好.同时,介绍了经典初始梢涡空泡数尺度效应公式的推导过程,并利用数值计算的速度环量和涡核半径修正尺度效应公式.     

不同叶顶间隙对泵喷推进器性能的影响

基于均质多相流的RANS方程与分块网格技术,结合剪切应力SSTk-ω湍流模型,对E779A桨进行了非空化与空化数值模拟,数值计算结果与实验值符合较好,验证了数值计算方法的合理性与有效性.在此基础上,对不同叶顶间隙的泵喷推进器进行了非空化与空化数值模拟计算,重点对叶顶间隙处流场进行了精细后处理.结果表明:未空化时,间隙尺寸越大,泵喷推进器整体效率值越低,最大间隙与最小间隙之间的效率降幅最大为8.62%,叶顶间隙尺寸直接对泵喷推进器的最优进速系数产生影响.当空化发生时,在最优进速系数下的推进器效率下降幅度最小;间隙尺寸越大,空化后的推进器整体效率越低;在较高转速下,较大间隙的空化面积在叶稍处有更为明显的激增量.