RANS方法和升力面理论预报螺旋桨敞水性能比较研究

利用CFX软件,通过求解雷诺平均的Navier-Stokes(简称RANS)方程和使用标准的两方程k-ε湍流模型对MAU4-50螺旋桨进行了敞水性能预报,同时应用基于势流理论的升力面方法加粘性修正对同一螺旋桨进行了计算.为了评价两种方法的预报精度,将计算结果与试验值进行了对比.对于推力系数,RANS和升力面理论的平均误差分别为3.8%和12.7%;对于扭矩系数,RANS和升力面理论的平均误差分别为6.2%和7.4%.RANS和升力面理论计算得到的敞水效率的平均误差分别为-3.94%和3.69%.结果表明,RANS的计算精度高于升力面理论,但前者的计算成本高.     

基于面元法预报导管桨性能的数值计算方法

基于面元法,分别用将桨和导管当作一个整体考虑的直接计算方法、基于诱导速度的迭代计算方法与基于诱导速度势的迭代计算方法预报了导管螺旋桨的定常水动力性能.计算结果表明：采用这3种方法预报导管螺旋桨的定常性能具有相似的精度,但直接求解方法可以节省大量的计算时间;直接求解和速度势迭代计算的导管表面压力分布、桨叶表面环量和压力分布基本一致,但是与诱导速度计算的结果有一定的差异.对这3种方法计算结果的差异性分析表明：计算导管桨水动力性能时,直接求解方法和基于诱导速度势迭代方法更可靠.     

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.     

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.     

耦合黏-势流数值计算的CLT桨水动力性能预报

根据尾流收缩叶梢负载(CLT)标模桨的特殊几何形式、尾涡特性,对面元法的参数化建模、预设尾涡模型及网格划分形式进行了相应计算理论修正．为了验证改进后面元法对于预报不同端板形式的CLT桨敞水性能的适用性,改变端板参数描述建立了三组CLT桨计算模型,使用改进后面元法计算敞水性能,将面元法结果与计算流体力学(CFD)方法模拟结果对比,设计进速附近的效率差约为2%．结果表明：该面元法程序可以快速预报变端板参数CLT桨敞水性能,且预报精度满足工程要求,预报结果可作为后续优化设计和试验设计参考依据;减小原端板50%宽度,在低进速附近,推力最多提高约10%,设计剖面的表面压力分布结果与CFD方法计算结果符合较好．     

完全用边界元法进行叶轮机械叶栅流场的数值分析

为完全用边界元法来计算叶轮机械平面叶栅的不可压缩流场,本文提出了一种速度势与叶型表面切向流速均采用边界元法来计算的数值方法,取得了良好的结果。     

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.     

基于面元法的吊舱推进器性能计算

为研究吊舱推进器性能,应用势流面元法开发了定常流中计入吊舱与螺旋桨桨叶相互作用的水动力性能计算方法.基于格林定理,考虑了分布在桨叶、桨毂、吊舱、支架的定常源和偶极子的联合作用,以及推进系统尾流场中偶极子代表的势流绕流的相互作用.对库塔条件进行设定,并基于三维问题的考虑,计算中引入了横向流的影响,保证随边单元上的压力相等.为满足推型吊舱螺旋桨设计的需要,给出了有关水动力和压力分布的数值模拟结果.计算结果与相应的试验数据的比较表明,计算误差在5%以内.     

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。     

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.     

沉深变化对螺旋桨水动力性能影响的数值分析

为了分析桨轴沉深对螺旋桨水动力性能的影响,采用VOF方法对某型桨在静水状态下、不同沉深时的水动力性能进行了研究.采用混合网格技术.根据沉深的不同选用不同的计算域模型来进行网格的划分.通过静水中某沉深下螺旋桨推力系数、转矩系数以及效率的计算结果与实验值的对比,验证了研究结果的正确性.由结果分析得知:随着进速系数的增大,桨轴沉深对螺旋桨推力系数、转矩系数的影响逐渐减小,而对效率的影响逐渐增大,且螺旋桨对自由液面的抽吸位置逐渐后移,扰动越来越小.     

基于正交试验大型轴流泵空化特性的数值模拟

针对28CJ-70型立式轴流泵内部空化对机组性能的影响,从泵内空化基本方程出发,确立叶顶尖间隙γ、叶片吸力面流线分布和叶片进口边外缘修圆ψ为影响轴流泵空化特性的主要因素,并建立L9(33)正交实验表,分别对9组试验方案进行数值模拟,计算结果表明:叶顶尖间隙γ对叶轮吸力面外缘泄漏涡变化较为敏感,增大叶顶尖间隙γ能够有效改善吸力面外缘速度分布,但会使泵扬程降低;叶片吸力面流线分布Φ对轴流泵效率和空化持续长度χ具有重要影响,当吸力面流线分布Φ=0.7时,能够明显改善吸力面低压区流体回流范围,使空化持续长度χ迅速降低,并能大幅度减小空化体积分数.通过对立式轴流泵模型进行试验研究发现:数值模拟结果与试验外特性曲线能够较好符合,达到工程应用的要求,进而验证正交计算结果准确性.     

基于RANS法的B系列对转螺旋桨敞水性能数值模拟

应用RANS法研究B系列对转螺旋桨敞水性能,对单桨和对转螺旋桨进行数值计算,研究不同湍流模型对数值结果的影响,分析研究对转螺旋桨桨距比和直径比的参数匹配问题,比较对转螺旋桨和单桨的敞水效率,剖析尾流场的变化情况,突破传统势流理论方法无法计入黏性和微观流动机理难以分析和把握等局限.数值结果表明:RSM模型的数值精度较高,且选取桨距比和直径比合适的对转螺旋桨明显提高其推进效率,对转螺旋桨后桨能吸收前桨轴向速度和尾涡能量,减小切向速度对流体扰动的影响,增大流经桨叶的流体动量,减小前桨尾流外直径,增加螺旋桨的推力,提高对转螺旋桨推进性能,具有工程实用性.     

船舶螺旋桨面元法的改进

按照库塔物理条件的基本精神,认为蒙瑞诺数值库塔条件的不足,讨论了螺旋桨面元理论不应忽略梢涡的真实存在,应该考虑尾涡强度沿流线衰减的影响,明确指出尾涡强度的衰减规律为指数衰减,具体构造了一种新的更为接近物理真实的数值库塔条件.并将这种数值库塔条件应用到螺旋桨敞水特性的数值分析中,得到一些有益的结论.     

基于速度势面元法的风力机风轮三维气动性能预估

大型风力机风轮气动设计和性能分析需要更加准确、快速的预估方法。风力机风轮三维流场具有低Mach数、高Reynolds数的特点,该文把风轮流场简化为有势流场,将叶片表面和尾迹视为有势流场的边界,采用速度势方程作为流动控制方程,使用面元法进行求解,建立了风力机风轮三维气动性能数值计算的模型,并编制了计算程序。同时,还建立了适用于水平轴风力机的尾迹迭代求解方法,考虑了表面摩擦阻力对风轮转矩和推力的影响,提高了计算精度。与实验结果对比证明,该方法具有很好的计算准确性,为进一步研究常规运行工况下的风力机风轮气动性能,特别是大型变速变桨风力机气动性能提供了一个准确、快速的预估方法。     

基于开尔文源面元法的有限水深兴波阻力计算

应用线性船舶水动力学理论,将有限水深开尔文移动兴波源格林函数分解成Rankine源集合、局部扰动项和波函数项3部分,利用高斯拉盖尔及最速下降积分方法加快了局部扰动项的计算速度.采用面元法计算了有限水深船体表面的面源强度,并与无限水深结果进行对比,进一步求解出有限水深船舶的兴波阻力,与其他方法所得结果基本一致,在跨临界航速中有限水深兴波阻力明显大于无限水深的结果.     

基于涡面元法的风力机叶片翼型优化设计

 针对风力机翼型反设计问题,通过求解由涡量表达的面元流函数方程,直接得到面元节点速度;通过计算沿流线的伯努利方程获得面元的压力系数,进而求得升力系数和力矩系数。应用所述涡面元法以NACA2412 为初始翼型,以NACA4412 压力系数为目标值,获得满足目标压力系数的新翼型。根据新翼型对一小型风力机进行优化设计。计算表明基于涡面元法的翼型反设计有较高精度,较广适应性。通过凸函数表达翼型几何参数,能满足不同初始翼型的优化设计及风力机叶片的设计要求。