空泡水筒中螺旋桨噪声的试验研究

本文介绍上海交通大学空泡筒进行螺旋桨噪声试验研究情况及部份结果。根据试验结果,讨论了螺旋桨载荷及其径向分布、流场非均匀性等对螺旋桨噪声性能的影响。为推退叶梢空泡出现,建议桨叶梢部螺距比按公式近似估算。该式可供设计低噪声螺旋桨或减振螺旋桨参考之用。     

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.     

基于分离涡模拟方法的导管桨近尾流场及尾涡特性分析

基于分离涡模拟(DES)方法对设计工况下导管桨的近尾流场及尾涡特性进行数值模拟.数值计算中选用SpalartAllmaras湍流模型封闭N-S方程,采用滑移网格技术及混合网格划分方法完成导管桨敞水性能数值计算.通过分析导管桨瞬态尾流场及尾涡空间结构发现:近尾流场中螺旋桨半径区域瞬态诱导速度大,尾流中分布着连续漩涡结构,尾流加速作用明显.导管桨尾涡主要由导管剪切层涡、叶片涡系及毂涡组成,叶片涡系中包含叶梢涡、叶根涡、毂涡及相邻梢涡带之间诱导产生的S形二次涡;导管桨尾涡结构中多重涡系之间产生复杂干扰,尾涡形态出现融合、扭曲、分解并逐渐扩散.     

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.     

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.     

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.     

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．     

叶梢尖角对导管桨性能的影响

在导管桨的实际使用中,K_a系列桨因叶梢阔而薄,边缘锐利,容易损坏和激起空泡。为此,以四种不同半径的圆弧替代叶梢尖角后进行了敞水试验。文中给出了敞水试验的结果,研究了不同半径切割对敞水性能的影响。为实际使用方便,我们对结果进行分析后,提供了按原设计图谱设计 JD 简易导管桨和具有圆弧梢部的“修正的”K_a系列螺旋桨组合的方法。     

导管舵的水动力性能

JD75简易导管是一种适用于改善操纵性能的转动导管。为了对正确确定舵机和导管固定构件的尺度提供必要的载荷资料,我们对带有三种不同尺度稳定板的 JD75简易导管进行了模型试验。在各种螺旋桨载荷下对不同的舵角测量了螺旋桨轴向的导管推力、与推力方向垂直作用的水平导管横向力、导管舵杆的扭矩以及螺旋桨的推力和转矩。试验结果以载荷系数来表达,以便在设计阶段能简捷地确定所需要的数据。同时,本文也给出了实船试验的有关资料。此外,我们还对不带稳定板、带流线型稳定板和带附有整流帽的流线型稳定板的 JD75简易导管螺旋桨进行了比较试验。文中给出了稳定板对导管螺旋桨性能的影响。     

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.     

地面声学环境下的无人机螺旋桨气动噪声试验

为了研究某无人机螺旋桨在地面起飞工况下的气动噪声,研制了螺旋桨气动噪声试验平台,在地面声学环境下开展了螺旋桨的气动噪声试验,获取了螺旋桨的气动性能和远场噪声特性,分析了拉力、扭矩等气动参数和远场噪声指向性等随螺旋桨转速、桨叶角的变化规律。结果表明：拉力、扭矩等气动参数随着转速、桨叶角的增大而增大;远场噪声最大的区域随着螺旋桨转速和桨叶角的变化而移动;所建立的试验平台和方案可以为飞机螺旋桨的气动噪声评估和优化提供帮助。     

叶剖面厚度变化所引起螺距修正方法

根据螺旋桨桨叶剖面升力系数与叶剖面型值的内在联系，依据等效螺距原理，在理论上解决了桨叶厚度变化对螺旋桨螺距的修正方法，为图谱法设计的螺旋桨厚度修正提供了理论依据和有效方法。     

螺旋桨气动/噪声多目标优化设计

针对某大尺寸螺旋桨开展气动/噪声多目标优化设计。基于升力面理论,开展了螺旋桨气动性能计算,通过与试验结果对比,验证了计算结果的准确性;基于Hanson频域远场噪声计算方法,开展了螺旋桨远场噪声评估;以螺旋桨桨叶沿展向分布的弦长、安装角、弯和掠为设计变量,在不改变螺旋桨桨叶数、半径和转速的情况下,以螺旋桨气动性能不降低和远场噪声降噪最大为优化目标,开展螺旋桨的气动与噪声联合优化设计,优化设计结果与高精度算法的计算结果进行了对比验证。优化结果表明,在不降低螺旋桨气动性能的情况下,优化设计的螺旋桨在1阶离散分量处的远场气动噪声降低5dB,2阶和3阶离散分量处也有明显的降噪效果。     

螺旋桨性能计算及设计的升力面方法

本文利用Kerwin尾流模型,对螺旋桨性能进行升力面数值解,并进行了理论设计螺旋桨的研究,编制了相应的螺旋桨性能计算、理论设计的计算机程序,给出了对AU 型、DTNSRDC 桨的计算实例,并与相应的试验结果和其它方法的计算结果分别进行了比较。同时,给出了一个螺旋桨的理论设计结果。性能计算及理论设计的数值结果表明了本文计算方法的可行性。     

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%.     

螺旋桨非定常性能计算的升力面方法

本文利用非定常数值升力面方法计算了运转于非均匀流场中的螺旋桨性能,该方法建立在作者提出的新的定常螺旋桨尾涡模型的基础上,在用圆锥螺旋面模拟的过渡区尾涡片中,加入了泄出涡以反映非定常特性.数值计算的升力面方法采用离散的涡、源奇点系,并编制了相应的非定常性能计算的计算机程序.最后,对14届ITTC 螺旋桨委员会提供的实例以及其他例子作了比较计算,结果表明,本法是可行的.     

水下航行器大侧斜对转桨设计方法改进

研究基于升力线和升力面理论的对转桨设计方法,对升力面设计的核心部分--螺距和拱弧面的迭代计算方法进行了改进,建立了一套较为高效、准确的大侧斜对转桨设计程序.设计算例及其数值验证结果表明：改进的设计计算方法不仅提高了计算效率,而且能够有效保证设计结果的光顺性;设计方法具有较好的精度,可应用于大侧斜对转桨的设计.     

船用螺旋桨理论及其应用研究进展

论述了船用螺旋桨理论设计与计算研究的进展;讨论了升力面理论方法中尾涡模式函数,面元法中的随边库塔条件的数值处理,以及纳维-斯托克斯方程方法中流域计算匹配的数值方法;给出了相关理论方法在螺旋桨水动力性能黏性修正、翼剖面二相流水动力计算和新型螺旋桨叶剖面设计开发研究中的应用实例．应用计算表明,所提供的数值方法是有效的．有关螺旋桨水动力性能的黏性修正、叶剖面二相流计算和桨叶叶剖面设计等方法,对于工程应用具有参考价值．     

螺旋锚垂直抗拔承载力室内试验研究

通过室内螺旋锚上拔模型试验，探讨了单节螺旋锚在砂土和粉土中的埋置深度和锚板直径对其上拔承载力的影响。提出了单节螺旋锚上拔破坏的模式及极限抗拔承载力的计算公式。经过比较，单节螺旋锚的极限抗拔承载力按本文中提出的公式计算，结果与试验实测值比较一致。