斜流式喷水推进器内部三维紊流流动的数值模拟与性能分析

应用数值模拟方法研究斜流式喷水推进器内部紊流流场,基于紊流流场计算分析了其特性.采用三维贴体坐标网格对计算区域进行剖分离散,选择k-ε双方程紊流模型,应用SIMPLEC数值方法计算内流场各流动参数,进而根据流场的计算结果预测了该推进器内部泵在不同工况下的性能.计算结果与实验结果进行了对比,二者有较好的一致性.     

船-泵相互作用对喷水推进器推进性能的影响

为研究喷水推进船快速性预报中船体与喷水推进器相互作用机理,借助于计算流体力学(CFD)方法研究船-泵相互作用对喷水推进器推进性能的影响.通过计算由k-ε湍流模型封闭的RANS方程,分别得到敞水条件下和考虑船体斜升角、纵倾等因素影响的装船后喷水推进器的三维黏性流场,敞水条件下计算结果与试验数据的良好吻合验证了数值模型和方法的可信性.不同斜升角和纵倾模型计算结果表明:船体斜升角和横倾对喷水推进器推进性能影响很小;船体尾升角和纵倾角的变化改变了船体边界层,对喷水推进器推进性能和作用因子影响很大;纵倾角由正变负,喷水推进器对船体边界层的利用增强,使流量变小,功率、推力和扬程变大;进流动量系数、进流能量系数、动量作用效率和能量作用效率均减小.喷水推进器也反作用于船体,产生使船体纵倾角减小的力矩.     

喷水推进器内非定常压力脉动特性

基于RANS方程和SST湍流模型,对喷水推进器内非定常流场进行数值模拟.经网格无关性分析后,计算得到的功率、推力与试验值对比最大误差小于4%.分析了设计转速工况和自航工况时叶轮进口、叶轮出口、导叶中部和导叶出口压力脉动的时域和频域特性.结果表明:喷水推进器内最大压力脉动发生在叶轮进口;受不均匀来流影响,叶轮进口从80°至140°半径方向的压力脉动较大;在叶轮进口与出口处,压力脉动主要受叶轮叶频控制,从轮毂到轮缘脉动幅值逐渐增大;设计转速条件下,喷水推进器运行于设计航速工况时叶轮进口压力脉动最小;自由航行时,压力脉动频率与喷水推进器转速呈线性关系,脉动幅值随航速增加而升高.     

高速摩托艇喷水推进器性能分析及其改进

为改进某高速摩托艇喷水推进器推进性能,运用计算流体力学方法通过求解雷诺时均的控制方程,计算喷水推进泵和“喷水推进泵+进水流道+格栅+船体”的流场特性.利用CFX软件进行后处理,分析喷水推进泵和“喷水推进泵+流道+格栅+船体”的流场特性,针对其流道内存在涡流及推进效率偏低现象,提出对流道几何进行优化的处理方案.通过对进水流道进行优化设计,喷水推进效率提高6％.     

基于HUST-Ship的船舶自航仿真流场特性分析

模型试验中监测船舶周围流动特性需要花费较高的成本,基于数值试验水池的虚拟试验模拟方法能够较为方便地捕捉船舶航行过程中其周围的精细流场特征.本研究基于重叠网格方法实现数值试验水池网格与船模网格的嵌入,形成船舶自航数值试验模型.运用粘性流CFD方法开展船舶航行过程中的流场特性数值仿真工作并进行可靠性验证.不同国际标模在数值试验水池中的试验结果表明,数值预报结果与模型试验结果之间的差别小于3%,且数值试验能够捕捉得到自由液面升高与速度分布云图等流动细节的特征.研究表明,基于数值试验水池的虚拟试验方法无论对船舶宏观水动力性能还是精细流场流动特性都能够实现高精度数值预报.     

冲压增程弹用进气道试验与数值研究

对某冲压增程弹用超声速双锥进气道流场特性进行研究,在风洞试验中得到合理的流场结构图谱及试验数据.采用块结构网格与二阶精度流场分区求解技术,对该超声速进气道内外流场进行数值研究.通过数值模拟得到了对应于不同出口反压和攻角情况下,超声速进气道内外粘性流场复杂的波系结构,分析了进气道内外流场的形成过程.结果表明:数值模拟得到的流场结构波系图与风洞试验纹影图一致,并且进气道扩压段静压分布以及进气道出口位置的总压分布与试验结果基本一致.     

喷泵叶轮旋转方向对喷水推进性能的影响

采用雷诺数与弗劳德数全相似的方法预报了某双泵推进单体船喷水推进器外旋和内旋对推进和噪声性能的影响.以某混流式喷水推进器水动力性能为校验对象,验证了该数学模型和数值方法的可信性.比较了某航速下喷泵外旋及内旋时推进器推力、流量、轴功率、泵效率及推力效率的变化.叶轮旋向对推进器的流量及推力影响较大,对该航速下推力效率及泵效率影响较小.采用DES湍流模型进行了流场的瞬态计算,比较内旋及外旋泵在自航点内流场压力脉动的变化,外旋泵压力脉动的最大值大于内旋.根据瞬态计算结果进行了噪声的计算,结果表明,内旋喷泵的噪声小于外旋喷泵.     

采用 k-ε湍流模型的喷水推进器性能预报

采用结构化网格离散计算域,利用稳态多参考系法求解RANS方程,对喷水推进器内流动进行数值模拟．为评估不同湍流模型在喷水推进器性能预报中的适用性,计算时分别采用了标准k-ε模型、RNGk-ε模型和Realizablek-ε模型．将计算值与厂商提供值进行对比,结果表明：3种湍流模型都可较好地预报喷水推进器的功率,最大误差小于3％,但在预报喷水推进器推力特性过程中差异较大．综合分析后认为其在喷水推进器性能预测中的表现优劣次序依次为RNGk-ε模型、Realizablek-ε模型和标准k-ε模型．     

摆线推进器系柱特性研究

为探究摆线推进器系柱工况时在不同偏心点时的水动力性能以及流场分布情况,使用NACA0012建立摆线推进器,运用计算流体力学(CFD)技术对其在系柱工况下不同偏心点的水动力性能进行模拟。使用RANS方程计算流场扰动,应用重叠网格技术进行网格划分,模拟推进器的转动;将使用该方法的典型工况结果与文献中的结果进行对比,验证所使用方法。基于上述计算方案,得到了推进器在不同偏心点下的推力系数曲线,流场与涡量场分布。研究结果表明,摆线推进器产生的推力大小方向随着偏心点的位置而改变,脱落涡与叶片间的相互作用是引起推力波动的主要原因。     

船舶CFD结构化网格自动生成技术的开发

为提高船舶黏性流场计算流体动力学(CFD)数值计算的效率,开发了带自由面三维船舶黏性流场CFD计算用网格自动生成软件.该软件可实现三维船体曲面模型导入、计算区域划分、结构化网格生成及边界条件设置等操作的自动化完成和参数化控制.以某集装箱船模校验程序,并在阻力性能和自由表面波高分布等多方面将数值计算结果与试验结果作对比.结果表明,该软件所生成网格在保证船舶阻力性能预报足够精确的同时,生成效率得到极大提高.     

斜流式泵喷水推进器内部流动不稳定性分析

为了揭示斜流式泵喷水推进器的内部流动规律,利用多重参考系法,选用标准k-ε湍流模型和SIM-PLE算法,对不同工况下斜流式泵喷水推进器进行了数值模拟,分析了泵内部流动与其不稳定性之间的关系及叶轮叶片表面的压力分布规律.结果表明：扬程系数ψ与Q/Qbep曲线在流量为0.65Qbep～0.67Qbep工况下出现了正斜率（Q为工况点流量,Qbep为最佳设计工况点流量）,主要原因是导叶进口轮毂处的回流撞击叶轮出口流动,使其产生流动分离,最终形成旋涡,导致内部流动不稳定,从而使压力上升;在流量为0.65Qbep和0.85Qbep工况下,导叶内均出现回流,回流区域及回流速度随流量减小而增大.模拟分析说明斜流式泵喷水推进器在小流量工况下运行具有不稳定性.     

基于阻力性能船体型线精细优化的CFD方法

根据基于阻力性能的船体型线优化方法的不同，在船舶设计中可以归纳成5个相应水平的优化程序。总结了基于经验或统计公式的船体尺度优化（零水平优化），应用CFD方法分别对裸船体型线、局部船体型线和附体型线进行的精细优化（1，2，3水平优化），以及通过模型试验完成的船体型线的最终优化（4水平优化）的研究成果。所采用的CDF方法分别为用厚边界层近似与积分方法、厚边界层近似与差分法以及部分抛物线近似与差分法求解N－S方程。4水平则是通过包括流场测量信息的模型阻力试验进行最终的型线优化。     

船舶兴波阻力计算的Panel方法及流场的可视化实现

采用Ｐａｎｅｌ（面源）法，在微机上实现了船舶兴波阻力和可视化流场计算。在对一系列船舶进行数值计算后，将计算结果与采用Ｍｉｃｈｅｌｌ积分的兴波阻力计算结果以及实验测试结果进行比较，在中低Ｆｒ时，Ｐａｎｅｌ法比Ｍｉｃｈｅｌｌ积分法有更好的计算准确性和稳定性。     

叶片进口边位置对船用离心泵性能数值模拟与试验对比

为了研究叶片进口位置对船用离心泵内部流动和性能的影响。针对一国内生产的NSL125-415/A02型船用离心泵,在不改变原始叶轮设计的基础上,运用泵与旋转机械专业设计工具CFturbo分别将叶片进口边两次前移和两次后移,设计了四种新的叶型。然后采用全粘性三维湍流数学模型数值模拟计算了5组(包括原型泵)不同工况下的船用离心泵内流场,对比了不同位置叶片进口边对船用泵流量-扬程、流量-效率等外特性曲线以及叶轮内部流场在不同工况下的流动分布,并且将原型泵数值计算结果与试验进行了比对。结果表明：适当将叶片进口边位置向叶轮轮毂处偏移,可以相对改善叶轮内部流场分布情况,降低叶轮出口位置附近湍动能强度;在一定范围内,随着叶片进口边位置向轮毂处偏移,船用离心泵扬程有所提高,整体效率略有增加,且高效区域面积变大;通过与试验对比,运用数值计算方法来预测船用离心泵内部复杂三维流动是可行的。     

叶片包角对组合叶轮离心泵工作特性的数值研究

为了获得某型组合式叶轮航空燃油离心泵不同叶片包角下的工作特性,对其内流场特性进行数值模拟研究。分别采用定点法和曲线拟合法建立了组合式叶轮的三维模型;利用Pump Linx软件对泵的内流场和出口工作压力特性进行数值仿真计算;在进行样机试验验证数值模拟方法准确性的基础上,基于原包角参数设计基础上增大和减小叶片包角下,进行离心泵的内流场及压力特性研究。仿真结果表明:随着包角增大,叶轮流道内摩擦力的升高导致离心泵增压能力下降;而叶片包角减小,叶轮出口相对速度液流角增大,对泵的增压能力产生积极作用。在叶轮基本外尺寸确定的情况下,必定存在使得泵性能最优的叶片包角,所给出数值模拟方法可用于指导离心泵的工程设计与优化。     

船体三维厚边界层理论计算

将描述船体粘性绕流的完整的Ｎａｖｉｅｒ－Ｓｔｏｋｅｓ方程简化为部分抛物线模式，辅以Ｃｏｌｅｓ速度剖面和Ｈｅａｄ渗入方程，应用流线坐标系中的积分－差分算法，求解绕船体三维边界层的流动参数。对于船模ＳＳＰＡ ７２０的考核计算表明，自船首９０％的船长范围内，有关边界层参数的计算结果同相应测试值符合得令人满意。本文为船体粘压阻力与近尾流场计算提供了一个有效的数值方法。     

高速无人艇纵向航行性能试验

针对水面无人艇纵向航行问题进行静水拖曳试验.采用有限体积法结合Shear Stress Transpor(SST)湍流模型,应用动网格技术对模型周围绕流场进行了数值模拟,计算裸船体阻力及航行姿态.将数值计算与试验值对比分析,结果表明两者变化趋势相一致,该方法在阻力计算方面具有较好的精度.探讨了重心纵向相对位置对无人艇纵向性能的影响,结果表明,重心位置前移会降低第一阻力峰值,有利于避免“海豚运动”,但同时会降低最高航速.