集中冰载工况下的桨叶边缘强度校核方法

在冰区桨设计过程中,往往需要对其桨叶边缘区域进行强度校核,防止与冰块接触过程中桨叶边缘出现缺口,对螺旋桨的水动力、空泡、噪声等性能产生影响.为了能够快速实现桨叶边缘强度校核,基于IACS URI3规范和有限元法(FEM),建立了集中冰载工况下的桨叶边缘强度校核方法.针对螺旋桨几何结构特殊性,将桨叶沿径向、弦向以及厚度方向划分成一系列八节点六面体单元,发展了螺旋桨有限元网格自动剖分方法,可以根据加载位置合理地进行网格划分,以FEM计算集中冰载作用下的桨叶应力和变形分布.以PC3级冰区桨为例,开展了桨叶边缘强度的分析和校核.计算结果表明:在集中冰载作用下桨叶边缘区域有较大应力集中,容易造成桨叶边缘区域的损坏.     

可调螺距桨水动力性能预报及参数影响分析

为了研究可调螺距桨调距过程中几何参数对水动力性能的影响规律,采用坐标变换原理模拟调距过程和桨叶剖面的畸变,并结合面元法理论对调距桨的水动力性能进行预报.首先将JDC7704桨在初始螺距下水动力参数的计算值与敞水实验值进行对比,验证了文中数值方法的准确性;之后在变调距角下,分析了初始设计进速系数、纵倾角、侧斜角、盘面比以及毂径比几个参数对调距桨水动力性能的影响.结果表明:水动力转叶力矩受设计进速、纵倾角、侧斜角、盘面比变化的影响十分明显;调距工况变化时,转叶力矩所受影响的程度及其趋势也会发生变化.     

冰桨干扰工况下冰运动轨迹测量的实验设计

设计开发了一种冰桨干扰工况下冰运动轨迹的测量平台,可以实现对水下自由状态的冰块运动状态的测量,丰富了对冰桨干扰过程中冰、桨双向作用实验研究的手段.利用该平台开展了螺旋桨进速系数、来流速度、模型冰尺寸等不同条件下的螺旋桨模型实验,测量了各工况下冰块的运动轨迹,分析了桨前相同位置处模型冰在x轴和z轴方向的位移、速度变化,发...     

复合材料螺旋桨水动力性能与结构响应数值研究

通过CFD计算复合材料螺旋桨水动力载荷,应用有限元法计算复合材料桨结构响应,并基于双向耦合算法实现复合材料螺旋桨在均匀来流下的流固耦合数值模拟.研究了不同进速系数和不同铺层角度工况复合材料螺旋桨的水动力性能及结构响应.结果表明,在进速系数J ≤ 0.8时,复合材料螺旋桨的推进效率明显高于同工况下的金属螺旋桨.随进速系数增加,复合材料螺旋桨推进效率先增加后减小,在进速系数J = 0.8时取得最大值.桨叶总变形和等效应力分布与铺层角度有较大关系.复合材料螺旋桨的螺距角较金属螺旋桨减小,减小的螺距角与桨叶攻角的变化相匹配,自适应地提高了该螺旋桨的推进效率.      

水平轴风力机变桨载荷分析与计算

针对风力机变桨载荷常规计算时忽略很多细节从而导致数值不精确的问题,文中以大型水平轴风力机为研究对象,通过数值计算软件Matlab/Simulink,在建立风电机组非线性模型基础上,对风力机桨叶外形参数和空气动力数据进行分析和计算,得到风力机桨叶轴向诱导因子、周向诱导因子、入流角、攻角、相对风速、桨距角等参数对应不同风速的值,最终根据这些参数,综合分析计算,得到了风力机变桨载荷的数值.计算结果为风力机变桨控制系统分析和设计提供了更为可靠的基础性数据.     

含轮缘间隙的轴流转桨式水轮机不同工况下的数值分析

通过采用CFD计算软件,求解基于k-ε紊流模型的Navier-Stokes方程,建立轴流转桨式水轮机转轮部分的数值计算模型。对在不同的桨叶角度和各导叶开度下含轮缘间隙的轴流转桨式水轮机内部流动特性进行全面系统的数值计算,阐述了不同工况下流域内的流场分布和轮缘间隙处的流线分布,并分析了轮缘间隙对水轮机内部流动特性的影响。为进一步提高轴流转桨式水轮机性能和电站的稳定运行提供依据。     

搅拌槽内三维流动场的RNG k-ε数值模拟

RNG k-ε模型在耗散率方程中通过系数C*1引入描述流场畸变效应的附加源项后,在一定程度上会改善对旋转流、浮力流等较复杂湍流的预报能力.本文应用该模型对六直叶涡轮搅拌桨的三维流动场进行了数值模拟,并将计算结果与实验数据进行了比较.计算结果表明:RNG k-ε模型对桨叶附近速度场的预报较k-ε模型有一定程度改善,但对湍流动能的预报却要比k-ε模型差.若要进一步改进对桨叶附近流动场的预报,必须放弃基于各向同性假设的湍流模型,转而采用能够反映各向异性的模型或采用先进的计算方法.     

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.     

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CFD的多层桨叶组合搅拌器的优化

针对50 L发酵罐搅拌器组合选择类型复杂多变的问题，设计4种不同桨叶组合的三层搅拌桨模型，运用CFD软件对设计的4种组合桨发酵罐进行气液两相流数值模拟。通过对发酵罐中有无通气进行比较，研究通气对罐内流场的影响，并对通气后不同桨叶组合下的液相速度云图、搅拌功耗、体积传质系数以及气相体积分数进行分析，选取混合效果最好的桨叶组合。结果表明：通气会使罐内流场的轴向速度增强；通气条件下不同桨叶组合产生的流场特性会有所不同，上下层桨叶为径向流桨叶，中层桨叶为轴向流桨叶的桨叶组合所形成的流场速度分布更加均匀，能为发酵罐在搅拌过程中物质的扩散与混合提供更好的条件；不同的桨叶组合会产生不同的K_La值；下桨叶选择六直叶圆盘涡轮桨的桨叶组合其气体分布更加均匀；在搅拌功率方面，搅拌组合B功耗最高，搅拌组合D功耗相对较低，且在三个轴向流桨叶中螺旋桨功耗最低，综合分析选取组合D为最优桨叶组合。研究结果可为气液两相流发酵罐的设计与选择提供理论依据。     

基于CFD的对转桨扇发动机性能确定技术研究

以某对转桨扇发动机三维模型为对象,采用CFD方法对桨扇滑流开展数值模拟。利用分区拼接网格技术对桨扇旋转区域和外流场域进行网格划分及拼接;在此基础上采用雷诺平均N-S方程,雷诺应力项采用RNG 湍流模型,基于滑移网格方法,开展了针对不同来流Ma、桨叶角及桨叶转速的流场的数值计算。结果表明：桨叶角对于拉力影响较大,在桨叶角30°变化到35°,桨扇的拉力变化范围可达37.8%,功率变化可达28.4%。桨叶拉力随着转速的增大而增大,在转速达到1600rpm后,前后排桨叶的拉力系数最大相差33%,当转速继续增大,气流通过前后排桨叶偏转角度大,气流失速严重,桨叶拉力增幅减小。本文通过对该型桨扇发动机流场的计算,定量获取了桨扇的拉力、功率特性,为后续桨扇发动机的推力计算提供参考。     

对转舵桨节能特性分析

为了对对转舵桨的节能特性进行深入分析,以面元法为基础建立了对转舵桨水动力性能预报模型.对转舵桨的前桨、后桨和吊舱之间的相互扰动通过诱导速度来分析,诱导速度由面元法计算获得.为了便于对比分析,采用相同的预报模型对相应常规单桨的水动力性能进行计算.计算结果表明:在模型尺度下,对转舵桨在设计工况下所产生的推力略小于单桨,通过调整前后桨转速可使对转舵桨产生和单桨相同的推力;在产生相同推力的前提下,当前后桨转速比为1.016时,对转舵桨收到功率相对单桨减小10.8%.     

拖式与推式吊舱推进器水动力性能数值仿真及对比

为研究吊舱推进器在直航和回转工况下的推进性能,通过RANS方法结合标准k-ε湍流模型对拖式与推式吊舱推进器在不同工况下的水动力性能进行对比分析.分别计算拖式与推式吊舱推进器直航与回转工况下的推力系数与转矩系数,并与试验结果进行对比以验证数值计算的准确性.直航工况推进特性曲线、回转工况的推力系数与转矩系数曲线对比结果表明,数值计算可以准确预报吊舱推进器的水动力性能.根据该模型计算了斜流工况时两种推进器的推力、转矩系数以及轴向力和侧向力系数随角度的变化规律.结果表明,本文提出的水动力模型可以准确预报不同工况下吊舱推进器的水动力性能.     

螺旋桨抽吸作用下冰块运动轨迹

为研究冰桨干扰过程中桨抽吸作用对冰运动轨迹的影响,本文基于循环水槽搭建了冰运动轨迹测量平台,结合Photron高速摄像机分析软件(PFA),对不同螺旋桨转速工况下冰的运动轨迹进行试验和分析.经过对试验结果的系统分析发现:当螺旋桨转速较大、流速较小时抽吸作用较为明显,会明显改变模型冰运动轨迹,甚至发生碰撞.当模型冰体积较大、水流流速较快时螺旋桨抽吸作用影响较小,抽吸作用很难改变水流流速带来的影响,对模型冰运动轨迹影响较小.     

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.     

基于径向点插值方法的柔性螺旋桨气动弹性模拟

为研究柔性螺旋桨的气动弹性效应和推进性能,以成熟的计算流体力学和计算固体力学软件为平台,建立径向点插值方法(RPIM)以完成网格节点的位移传递,由虚位移原理辅助完成载荷传递的螺旋桨气动弹性分析框架.该方法可以避免生成奇异的插值矩阵,具有数值稳定性,适用于任意分布的节点,且能保证在数据传递过程中不发生能量损耗.流场网格更新通过Delaunay映射方法实现.研究结果表明:在所设置的工况中,桨叶沿来流方向的最大变形量可达桨叶半径的9.4%,旋转平面内的变形量约为来流方向上的52.1%;变形会使螺旋桨的迎风面受到更大的正压力,进而导致柔性螺旋桨产生比刚性螺旋桨更高的推力和扭矩,其最大改变量分别为7.2%和9.9%;气动弹性效应基本不会对推进效率产生影响.综上,在螺旋桨处于大推力、低速工况下时,气动弹性效应对推进性能有较大的影响,能够在基本维持原有效率不变的情况下提高推力.     

自由状态冰块尺寸及初始位置参数对冰桨耦合水动力性能的影响

为了模拟无约束状态下自由运动冰块对螺旋桨水动力性能的影响,文章使用重叠网格方法建立了冰桨相互作用的非接触模型.计算中采用六面体网格对计算域进行网格划分,然后使用动态流体-固体相互作用方法来模拟螺旋桨抽吸作用下的冰块的运动,经与冰桨作用下冰块运动轨迹实验结果的比对,证实文章方法的准确性.通过对不同大小的冰块、冰块的初始径向位置、初始轴向位置等参数变化下的螺旋桨水动力性能计算结果分析,得知:运动的冰块后方会出现一定的加速区和阻塞区.冰块大小会直接影响螺旋桨水动力性能,大尺寸的冰块在接近螺旋桨时阻塞效应比小尺度冰块更大,对螺旋桨的水动力性能影响更显著.     

风力机翼型非定常气动力分析(英文)

基于状态空间描述的Beddoes-Leishman动态失速模型,对风力机翼型进行非定常气动力分析.考虑到风力机翼型工作时的实际情况,在模型中忽略了可压缩性效应和起始于翼型前缘的流动分离.模型考虑了气流的近尾流效应和在失速区域的后缘分离效应.模型用4个气动状态来描述非定常气动力系数动力学,其中两个用于描述近尾流效应中的时间迟滞,另两个用于描述后缘分离效应.采用模型对做简谐变桨运动的FFA-W3-241风力机专用翼型进行了非定常气动力分析.数值计算结果与实验值吻合良好,说明模型能较好地描述风力机翼型的非定常气动特性.将动态失速数值计算模块与已有的风力机气动与结构分析软件集成,利用软件对一台1.5MW变速变桨距风力机的发电工况进行了仿真.仿真结果表明,翼型的非定常气动特性对动态载荷计算结果影响很大,因此在风力机的设计过程中应该予以充分考虑.     

基于Timoshenko梁及能量变分原理的薄壁箱梁挠度计算分析

基于Timoshenko梁理论和能量变分原理,对单箱单室混凝土薄壁箱梁的翘曲位移函数进行修正,合理构造考虑各翼板翘曲位移函数幅值关系、横截面轴力平衡以及剪切变形影响的翘曲位移函数,建立了体系总势能函数表达式.利用Euler-Lagrange方程得到了薄壁箱梁剪力滞效应计算理论的微分方程,推导了考虑剪力滞效应影响的简支梁挠度计算公式.结合ABAQUS有限元数值模型算例,对比分析了简支梁在不同荷载工况下挠度沿梁轴向的分布规律.结果表明:针对不同荷载工况下的单箱单室薄壁简支箱梁,文中提出的挠度计算公式的结果与ABAQUS有限元数值吻合较好.同时选取目前工程应用较为广泛的一般梁挠度简化计算方法进行对比分析.由于此类简化计算方法忽略了剪力滞效应存在而产生的附加挠度,导致误差较大,最高达到32.06%,误差范围为21.39%~32.06%.文中所提出的挠度计算方法的结果与有限元数值模拟的结果吻合良好,能较好地反映结构在外荷载作用下的变形规律,且不受加载工况影响,从而验证了文中挠度计算方法的正确性及适用性.     

CLT桨的尾流场及梢涡特性数值分析

为了探究尾流收缩叶梢负载(CLT)桨的尾流场及梢涡特性,基于商业计算流体力学软件Star-CCM+对CLT桨P1727的尾流场进行了数值模拟.计算采用DDES(延迟分离涡)方法在进速系数J=0.5的工况下对三套网格进行了不确定度分析,确认了数值方法的可行性,然后对螺旋桨的敞水性能及尾流场进行了计算.研究表明:尾流场的网格细化对螺旋桨的推力及扭矩只有微弱影响,对桨后的流场具有较大影响;尾流区域轴向速度分布分为加速流与自由流,进速系数越大,加速流与自由流的分界线向外扩散的趋势越弱;相邻梢涡之间会发生融合,进速系数越大,融合得越晚,梢涡强度越弱;CLT桨相较于常规桨多出一个端板涡,并且会与梢涡融合;梢涡在向下游发展的过程中,会有明显的收缩现象.