体积力在潜艇自航因子预报中的应用

借助于CFD软件,在螺旋桨参数未知的情况下,用均匀分布的体积力模拟螺旋桨力场,对潜艇自航因子进行了预报,并与潜艇带桨自航试验数值模拟的结果进行了对比.发现:若体积力参数仅考虑螺旋桨轴向力,则潜艇阻力的计算误差可达7％,在引入螺旋桨旋转的影响后,这一误差值可降低至2％以内,同时,推力减额分数和平均轴向伴流分数的计算误差可控制在5％以内,而潜艇快速性的预报误差可控制在2％以内.用均布体积力模拟螺旋桨力场的方法,能够有效地预报潜艇伴流和推力减额分数,为螺旋桨的设计提供可靠的输入参数,也可以用于潜艇线型优化设计和快速性预报.     

单桨船螺旋桨安装位置确定

通过船模螺旋桨在3个不同安装位置的自航试验，探讨了螺旋桨位置对推进效率的影响，试验结果表明，选择合适的螺旋奖位置，有利于提高舵的整流作用，改善船后伴流分布，减小推力减额，从而提高推进效率，达到船舶节能的目的，作为一个典型试验的结果，在0.1D(D为螺旋桨直径）范围内移动螺旋桨，在航速上可获得3％－5％的增量，因此，在船舶设计中有必要重视螺旋桨安装位置的选择。     

一种对船桨干扰问题的黏势流耦合求解方法

基于黏性流计算流体力学(CFD)及势流理论,建立了一种黏流雷诺平均方程/面元法耦合迭代求解方法,对船桨相互作用问题进行了数值模拟.自由面的船体绕流场模拟应用CFD黏流方法,螺旋桨水动力载荷计算采用势流面元法.在黏性流场模拟中得到桨盘面处的总速度分布,减去螺旋桨诱导速度得到实效伴流速度并作为势流计算速度进口条件,螺旋桨效应以体积力的形式在黏性流场中体现.计算值与试验值的对比结果表明,黏势流耦合迭代求解方法能较好地预报船桨干扰问题,且较全域船桨离散化网格CFD求解船桨干扰的方法,计算量大为减少.该方法充分融合了黏势流方法的优点,既能计及黏性效应又能发挥势流快速准确的优势,能够拓展应用于船体及螺旋桨性能预报及设计优化的研究.     

迭代型体积力法预报船舶推进性能

摘要： 应用计算流体动力学的方法（CFD）,采用迭代型体积力法,耦合螺旋桨势流涡格法（VLM）和船体周围黏性流场RANS（Reynolds Averaged Navier Stokes)方程,代替真实螺旋桨的作用,即将VLM法计算得到的推力和转矩分布插值后作为源项加载到RANS方程中,将RANS方程得到的流速扣减诱导速度后得到实效伴流作为VLM法计算的进流条件,计算得到新的推力和转矩值,重复迭代直至螺旋桨的推力变化达到收敛要求.在无舵情况下对集装箱船KCS(KRISO Container Ship)的自由面黏性流场进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合良好.整个计算过程由集成了VLM和RANS方程的程序自动完成.研究结果表明,迭代型体积力法可以快速准确地预报船桨干扰下船体的推进性能.     

第三代平头涡尾船型试验研究

给出了第三代平头涡尾船型的船模阻力、船模自航试验结果和实船测速结果,通过试验分析,阐述了该代船型具有优异的推进性能并对其机理作了探讨．讨论了伴流分数及推力减额系数对推进效率的作用．     

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.     

螺旋桨粘流水动力特性数值模拟

采用人工伪压缩方法对常规螺旋桨粘流问题进行了数值模拟,获得了螺旋桨推力系数、扭矩系数等水动力性能参数.以DTMBP4119螺旋桨为例,对其计算结果的网格依赖性和湍流模型的适应性问题进行了数值分析.与试验结果对比,计算结果吻合度好,表明数值方法正确,程序准确、可靠,能够对常规螺旋桨进行有效地理论研究、数值预报.     

回转状态下导管螺旋桨水动力特性的数值模拟

采用滑移网格技术和计算流体力学方法,在导管螺旋桨所在的流域内求解其N-S方程,以此模拟在作回转运动的水下机器人流场作用下导管螺旋桨的推力特性,观察螺旋桨在这一环境下的水动力现象.计算结果表明:当来流从尾部流向机器人时,对于尾导管螺旋桨,有机器人影响时其推力系数比无机器人时要小,对处于机器人舷侧的螺旋桨,有机器人时其推力系数比无机器人时要大;当来流从首部流向机器人时其情形刚好相反;而当机器人轴线与流向大致垂直时,有无机器人对螺旋桨推力系数的影响不大.     

螺旋桨前置自由旋轮的初步研究

本文提出一种新的船舶节能和减振装置,即在螺旋桨的前方安装同轴线自由旋转的叶轮,可使伴流均匀化和产生预旋,同时旋轮还发出附加推力.文中给出了叶轮和推进器叶切面的速度多边形图和水动力表达式;分析了旋轮的叶片数、直径和转速对效率的影响.此外提出了旋轮设计的简化方法.最后,介绍了一个螺旋桨带前置旋轮的模型敞水试验,结果表明敞水效率比单独螺旋桨模型相对提高3%～4%.     

空化流中具有升沉运动状态的螺旋桨数值模拟

基于雷诺平均纳维-斯托克斯方法对空化流中具有升沉运动状态的螺旋桨进行了数值模拟,螺旋桨旋转与升沉运动的耦合采用自主定义的运动方程来实现,升沉运动简化为基于正弦函数运动规律的周期性运动,非定常流场的数值传递采用重叠网格技术实现.对不同升沉运动周期下的螺旋桨非定常推力系数、扭矩系数进行了分析,对螺旋桨的非定常空泡性能以及尾流特征进行了对比研究.结果表明:升沉运动会加剧推力系数和扭矩系数的非定常特性,并导致螺旋桨片空泡的非均匀分布;升沉运动周期越小,桨后涡结构的干扰效应越强,螺旋桨诱导的脉动压力幅值越大.计算结果对螺旋桨的优化设计具有一定的理论参考意义.     

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.     

非线性涡格法预报桨后舵附推力鳍水动力性能

对螺旋桨与舵附推力鳍分别采用升力面法和非线性涡格法计算.螺旋桨、舵附推力鳍两者之间的相互干扰采用迭代计算.数值计算过程中考虑了推力鳍端部分离涡的影响,提高了理论预报的准确性.螺旋桨尾流区分为过渡区和远尾流区.过渡区长度取3.0D,以使舵附推力鳍完全处于螺旋桨尾流的过渡区内,过渡区采用圆锥螺旋面来模拟涡片的变形现象.对影响推力鳍助推效率的几个主要参数进行了变尺度研究.并将结果与前人的计算结果进行了对比,计算结果显示螺旋桨后的舵附推力鳍助推效率随着安装角的改变而显著变化.存在最佳安装角,大约为5°,离开这个最佳安装角,推力鳍的助推效率将下降;推力鳍的展长与螺旋桨半径之比在0.9左右时推力鳍的助推效率最高;螺旋桨进速系数越小,推力鳍的助推效率越大.     

螺旋桨伴流横向力理论的计算方法

根据机翼水动力理论,研究螺旋桨伴流横向力理论计算方法,同时深入分析船舶在倒车前航情况下螺旋桨伴流效应横向力方向的变化情况,进而针对船舶提出一个临界速度,并通过实例进行Matlab仿真.实验证明,提出的计算方法是正确的,对研究螺旋桨横向力有一定的参考价值.     

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.     

用边界元方法计算双桨船势伴流分数

采用边界元方法对8301双尾船、HS80高速客船以及大径深比FT8601推轮共3艘内河双桨船型的势伴流分数进行了计算,探讨了势伴流占总伴流的比例以及桨盘处势伴流的分布规律,得出了一些初步结论.结果表明双桨船势伴流分数占总伴流分数的比例并不大,因此若用预估单桨船的伴流分数公式来预估双桨船是不可行的.     

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。     

标准船模拖曳水池自航试验不确定度分析

参考国际船模拖曳水池会议(ITTC,2017)推荐规程以及国家相关标准,对船模拖曳水池的自航试验进行不确定度分析.首先对船模自航试验流程进行了梳理,确定其不确定度来源;然后根据自航试验原理,提出了不同温度时试验数据换算的方法,对ITTC关于自航试验不确定度分析规程进行补充;其次在试验数据进行温度换算之后,计算了船模自航试验中桨模转速、推力、扭矩和强制力的不确定度,并进一步计算了相关自航因子的不确定度.分析结果表明:当名义温度15℃时,按照95%的置信水平,各自航点的转速的扩展不确定度小于0.4%,推力和扭矩的扩展不确定度均低于1.0%,推力减额的扩展不确定度低于5.5%,伴流分数的扩展不确定度低于1.1%.本试验的船模自航试验不确定度分析的方法和步骤可以作为其他水池试验的参考.     

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.     

平流层飞艇对转螺旋桨推进性能研究

为研究平流层飞艇对转螺旋桨安装参数对推进性能的影响,探寻其效率提升的内因,使用混合网格技术进行计算域离散,采用基于RANS方程和SST湍流模型的求解器,建立了多重参考系模型,通过与由片条理论和遗传算法优化所得结果对比,验证了数值方法的准确性.对以Clark Y翼型设计的对转螺旋桨推进性能进行了研究,分析了在不同前进比J和不同螺旋桨间距L情况下,对转螺旋桨推力系数、扭矩系数和效率的变化.结果表明,在产生相同推力的情况下,对转螺旋桨效率较单桨提高13.3%,综合扭矩仅为单桨的4.8%;随着L的增大,推力系数和扭矩系数均有所上升,当J=0.5时,效率最高;绝大多数情况下,综合扭矩低于9 N·m,对转螺旋桨前、后桨的推力比期望值为1.29.     

螺旋桨流固耦合特性的数值模拟

基于ANSYS Workbench平台,利用其多场分析功能,采用求解RANS方程的方法,利用CFX求解器对螺旋桨3维流场进行数值模拟,利用有限元求解器计算螺旋桨结构响应,并将有限元求解器的设置输出为结构求解子程序,供CFX计算时调用以实现数据的实时双向传递,从而将流体计算与结构变形计算耦合起来,给出一种求解螺旋桨流固耦合问题的3维数值模拟方法,并通过与试验数据的比较验证了方法的可靠性.设定2种材料特性,对螺旋桨的水动力性能、桨叶变形及应力应变特性等进行了数值模拟.结果表明:材料特性对变形及应变较为显著,弹性桨的变形与应变较刚性桨约高1个量级;变形后的螺旋桨又对水动力性能及周围流场产生影响,弹性桨的推力和转矩均比刚性桨小.