螺旋桨自身参数对空泡性能的影响分析

为了研究盘面比、纵倾、螺距比与侧斜对于螺旋桨空泡性能的影响，采用粘性计算流体力学方法开展了系列的数值计算分析．采用结构化网格方案，并将桨叶表面以及桨毂表面的网格进行加密．通过把4种湍流模型的计算结果与实验值对比，选择出合理的湍流模型．而后通过调整参数输入，分别改变盘面比、纵倾、侧斜和螺距比，比较螺旋桨表面空泡分布的相应变化，从而得出一些有价值的结论，为螺旋桨理论设计中参数的初步选择提供依据．     

螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计

螺旋桨运转于舰艇艉后不均匀流场中,不均匀的流场对螺旋桨的空泡、噪声、振动以及水动力性能产生重要影响。而船舶螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计的目的就是在精确预报船舶艉后伴流场的条件下,合理地设计螺旋桨,使设计桨适合于所在伴流场下的运转。将伴流谐调分析法、螺旋桨侧斜及纵倾选择原则、升力线程序、升力面程序和非定常面元法程序、螺旋桨参数优化设计程序相结合,建立了螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计的系统,对大侧斜螺旋桨(highly skewed propeller, HSP)再设计为例,验证该系统的有效性。该系统为实现对潜艇螺旋桨的量身定制提供了理论支持。     

粒子群算法在大侧斜螺旋桨侧斜分布优化中的应用

为设计出具有良好侧斜分布的螺旋桨剖面，采用智能优化领域的粒子群优化（PSO）算法，结合非定常面元法对螺旋桨的侧斜分布进行了优化设计. 给出了PSO算法的数学模型及其在侧斜优化设计中的主要计算过程，并以HSP桨为母型进行设计.获取了2种纵倾方式下非定常推力系数的2阶幅值收敛情况、侧斜分布随迭代次数的收敛情况以及主桨叶在旋转1周的非定常推力系数随迭代次数的变化规律等.由计算结果可知，优化桨的非定常推力系数脉动比母型桨减小了许多，即通过改变螺旋桨侧斜分布能有效改善非均匀流场中螺旋桨的性能，进而也验证了PSO方法在螺旋桨侧斜优化设计中的可行性.     

复合材料螺旋桨纤维铺层的影响及预变形设计

为研究复合材料螺旋桨的预变形设计,采用面元法和有限元法相结合的迭代算法,选择两种运行工况和十种铺层方式,研究纤维铺层对螺旋桨水动力及变形特性的影响,并择其中两种铺层方式进行了预变形设计.结果表明:纤维铺层对螺旋桨的水动力性能和变形均有较大影响,仅改变材料特性难以提高螺旋桨的推进效率;不管采用何种铺层方式,变形后纵倾总是在减小,侧斜总是在增加;单向铺层的螺旋桨当铺层方向与叶梢侧斜角相近时,其抵抗变形的能力较强;组合铺层方式的螺旋桨,不同角度的铺层仍然发挥其各自的作用并影响整体变形特性,改变层间铺设顺序对几何参数变化的影响较小;经过预变形设计的复合桨,在设计工况能够实现与刚性桨等同的性能,而在非设计工况下性能优于刚性桨.     

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%.     

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.     

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.     

近似模型方法在螺旋桨优化设计中的应用

为了提高螺旋桨优化设计的质量和效率,将试验设计方法、近似模型和粒子群算法相结合,建立了基于近似模型的螺旋桨优化设计的方法.首先,以螺旋桨的几何参数为设计变量和以推力系数与效率为目标函数,引入试验设计的方法对整个设计空间采样,采用定常面元法预报程序计算出样本螺旋桨的水动力性能.其次,根据采样得到的样本库建立螺旋桨几何参数和水动力性能之间的克里格近似模型.最后,结合该近似模型和粒子群算法对螺旋桨的多目标优化设计.以P4382桨和Ka0.5导管桨为例,验证近似方法应用于螺旋桨优化设计的可行性.结果表明:近似模型方法能够实现目标桨的推力系数和效率的提高,而且优化速度快.     

翼剖面二相流压力分布计算

在船用螺旋桨桨叶表面充气以形成气膜是改善其空泡特性的有效方法之一．应用薄边界层理论和源汇分布面元法实现了水气二相流在叶剖面上的流动匹配计算,确定了水动力压力分布和空泡斗,揭示了空泡性能变化的机理．通过同NACA4412非对称叶剖面和NACA0012对称叶剖面压力分布试验结果的比较表明,数值模拟计算结果是可信的,从而为半潜桨和表面切入桨设计的水动力性能计算提供了有效的数值方法．     

调距桨的桨叶畸变对其水动力性能的影响分析

为了研究调距桨的桨叶畸变规律和畸变对桨水动力性能的影响,采用面元法对调距桨不同调距角下的畸变和水动力性能进行了计算和分析.首先,以JDC7004桨为对象,计算了其在调距角为0°时的水动力性能,并将计算结果与实验值对比,验证了计算方法的准确性;然后,采用坐标变换原理模拟了叶元体的畸变,结合面元法计算了畸变后叶元体的压力系数分布,进而求解了发生畸变和不发生畸变两种情况下桨的推力、转矩、转叶力矩和敞水效率,并对比分析了畸变对水动力性能的影响;最后,探讨了调距桨的侧斜角、纵倾角和盘面比对叶元体的畸变影响.结果表明:正车和倒车工况引起的桨叶畸变对叶元体表面压力分布和桨的各水动力系数的影响规律并不相同,对空泡性能的影响截然相反;畸变对桨叶的转叶力矩的影响较小,对敞水效率的影响较大,设计阶段考虑畸变有利于改善调距桨的水动力性能.     

泵喷推进器空化特性数值分析

利用基于Rayleigh-Plesset方程均质多相模型和滑移网格技术,对某泵喷推进器进行了三维全通道定常湍流计算,得到了其在空化条件下的性能特征.分析了转速、空泡数和进流速度对泵喷推进器的空化特性的影响.计算结果表明,泵喷推进器叶片发生空化时,推进器的推力和转矩明显下降,进而引起敞水效率的降低且降低幅度达15%以上;同一空化数下,随着转速的增加,泵喷推进器叶片的空化现象趋于明显;同一转速下,空化数越小,空化现象越显著,当空化数大于某一个特定值时,叶片的空化现象消失.     

吊舱式推进装置水动力性能试验研究

对吊舱式推进装置进行了多方案的模型试验研究，考察了串列式吊舱推进装置前后桨的负荷匹配及初始相位角的影响。空泡水筒敞水试验结果表明，无论双桨串列式或单桨拖、推式吊舱推进装置，由于吊舱影响使螺旋桨效率均比常规桨有所提高；但若计及吊舱阻力则吊舱推进装置的系统效率有所下降。可以预见，吊舱式推进装置因其众多的优越性而具有广阔的发展前景。     

螺旋桨空化初生的判定和空化斗的数值分析

摘要：
为了实现空化多相流模拟在螺旋桨空化初生和空化斗预报中的应用,采用改进Sauer空化模型和修正剪切应力输运(SST)湍流模型,对NSRDC4381桨的叶背和叶面片空化初生、梢涡空化初生和空化斗底线特征进行了模拟、校验和分析,提出了“当σ>σi时,叶梢截面压力系数分布不再改变”的空化初生判定准则,并分析了其适用范围. 同时,将空化斗由传统的三区细分为五区,以更准确地描述不同工况点的桨叶空化状态. 结果表明,在设计和非设计进速系数下,预报桨叶叶背和叶面不同叶截面的初生空化数均与实验值吻合较好;模拟梢涡空化初生再现了局部梢涡空化和导边梢涡空化同时存在的现象,证明了分别用叶背07 R截面和叶面04 R截面的片空化初生曲线来表征叶背和叶面可视梢涡空化初生的合理性. 空化初生判定准则适用于空化斗底线上方的叶背和叶面片空化区. 将空化斗底线下方区域进一步细分为叶背03 R至叶梢的片空化区以及叶背与叶面同时片空化区,以更好地在工程中应用空化斗来描述桨叶空化形态和求取空化航态的航速.     

螺旋桨加速状态下空化噪声的调制特性与分析方法

研究船舶螺旋桨处于加速或减速状态下,其空化噪声幅度受到变化的旋转频率调制的特性,有助于从噪声信号中提取进出港船舶的机动特性.从空化噪声随相位周向变化的视角分析了螺旋桨处于加速旋转状态下噪声信号的调制特性,并说明了桨叶间空化均匀性对调制特性影响的原理.进而提出了基于Hough变换和二值化DE-MON谱图的分析方法,用于估计螺旋桨的加速度参数,并运用该方法分析了水洞实测噪声数据.仿真结果验证了此分析方法的合理性.     

抗空化扭曲舵的设计及其水动力性能分析

摘要： 通过面元法计算螺旋桨尾流场,根据螺旋桨尾流场对扭曲舵各剖面的几何攻角进行设计,提出了抗空化扭曲舵的设计方法;采用计算流体动力学方法评价舵的水动力性能,并经过拖曳水池的舵力测量试验加以验证.结果表明,在不同的航速和舵角条件下,与普通舵相比,扭曲舵的负压力系数峰值明显较小,从而大幅提高了舵的抗空化性能,降低了舵的空化剥蚀和由舵产生空泡所引起的振动噪声.由于扭曲舵与螺旋桨的尾流匹配良好,在舵角为0°时,扭曲舵叶背的压力系数分布与叶面的压力系数分布基本重合,因而显著减小了直航时舵上的横向力和舵轴力矩,有利于舵和舵机的受力.     

GXD1泵站压力钢管振动试验及分析

通过对GXD1泵站压力钢管的振动测试及分析,指出泵站压力钢管的振动通常是带有周期信号的随机振动或复合周期振动。其振因一般有水流的压力脉动,水泵叶轮重量的不平衡,叶轮与轴对中性不好,水泵偏离设计工况点运行,水泵发生汽蚀及压力钢管的布局及支撑不合理等因素。     

基于代理模型的轴流式喷水推进泵优化设计

基于代理模型的敏感度分析以及预测方法,对喷水推进轴流泵叶片结构参数进行了优化设计研究,选取叶轮叶片和导叶叶片的安放角作为优化参数,选择效率、扬程作为优化设计的目标函数;针对优化结果,采用数值模拟的方法进行了外特性以及空化性能对比分析.结果表明：导叶叶片安放角对喷水推进轴流泵性能影响较小,叶轮叶片安放角是影响喷水推进轴流泵性能的主要因素;优化后喷水推进轴流泵的外特性以及空化性能均得到提升,效率提高了3.5%.同时,结果表明代理模型优化设计方法可以较好的适用于喷水推进轴流泵的优化设计.