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...     

考虑自由液面的船-桨干扰特性数值模拟

以KCS船与KP505桨为研究对象,应用FLUENT软件分别对KCS船、KP505桨、考虑自由液面的船-桨组合体进行数值模拟,其中船-桨干扰计算采用VOF法和滑移网格技术。比较分析数值结果和试验结果,吻合较好,表明所用方法能很好模拟船-桨间的互扰现象。本文研究结果为研究船-桨干扰提供了更可靠的研究手段。     

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.     

舵的布置对螺旋桨水动力性能的影响

为了研究大型水面船舶船-桨-舵干扰作用,探讨舵的布置设计原则,以某大型四桨两舵水面船舶为研究对象,采用雷诺平均纳维-斯托克斯（RANS）方法,基于滑移网格模型,建立了不考虑自由液面效应的船-桨-舵整体数值模拟计算模型,重点研究了舵的位置变化对螺旋桨水动力性能的影响.数值计算结果表明：对于四桨外旋船舶,外前桨的水动力性能对舵的横向和纵向位置移动不是很敏感,而内后桨则比较敏感;在一定范围内,内后桨的推力系数和扭矩系数随舵与船体中纵剖面的横向距离和纵向距离增大而减小.     

对转桨非定常水动力性能的数值分析

基于速度势的面元法预报了对转桨的非定常水动力性能,采用周向平均的方法处理转桨的两桨之间的干扰.首先通过将定常计算值与文献值进行比较验证算法的可靠性.然后,进一步分析了对转桨的非定常水动力性能,并将计算值与实验值和文献值相比较.结果显示:非定常结果与文献值非常接近,而且在加入伴流场后,非定常计算值比定常计算值的精度更高.计算了对转桨不同方向上的非定常力和力矩,分析表明该方法在计算对转桨水动力性能方面有一定适用性.     

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.     

半浸桨不同半径切面入水的水动力特性

为探究半浸桨无因次切面位置对半浸桨杯型切面入水过程水动力特性的影响,选择了半浸桨0.6、0.7、0.8无因次半径处的杯型切面进行建模.通过求解RANS方程模拟杯型切面入水过程的同时,结合流体域体积方法以及重叠网格技术,建立可靠的数值方法,研究不同切面位置的半浸桨杯型切面入水过程的水动力特性.分析不同切面位置对半浸桨杯型切面入水过程的自由液面形式、通气腔形式、流场以及表面压力分布的影响.结果表明：随着无因次半径剖面位置越靠近半浸桨的梢部,完全通气状态与部分通气状态之间的过渡状态会发生在较大的进速系数下,横向力系数和敞水效率也会有所增加.     

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．     

前置水翼对摆动翼水动力性能影响机理研究

为研究双体干扰对摆动翼水动力性能的影响机理,基于计算流体力学(CFD)方法,针对均匀来流、前置水翼刚性静止及柔性波动尾流场中摆动翼的水动力性能开展数值研究．通过改变摆动翼的平移幅值和运动频率计算推力系数、功率消耗及推进效率的变化趋势,以流场的压力分布云图、纵向速度分布云图及涡结构的演变特征分析前置水翼对摆动翼推进性能影响的机理．计算结果表明：前置水翼的存在能够提升摆动翼的推进性能,并且前置水翼进行柔性波动运动时摆动翼的推进性能最优;前置水翼的尾缘脱落的涡能够融于摆动翼表面的附着涡,提升附着涡的强度;上游的柔性波动水翼尾缘处脱落一个强度较大的尾缘涡,对摆动翼表面的附着涡产生挤压作用,提升附着涡的强度并加速附着涡的脱落．     

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.     

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.     

定子参数变化对前置定子导管桨性能的影响

采用RNG (Re-Normalisation Group)k-ε两方程模型对前置定子导管桨湍流特性进行数值模拟,并分析其水动力性能.通过与试验结果和势流理论结果的对比,验证了黏流理论预报结果的准确性和有效性.对不同定子安装角、不同定子翼型切面厚度以及不同定子叶片数目的前置定子导管桨敞水性能进行黏流理论预报,并分析了这些几何参数对前置定子导管桨性能的影响规律.
     

不同桨频对赛艇运动学参数的影响

不同桨频下桨力曲线的类型一般不变，变化的是曲线的形状、时间点的位置、间距和幅度等。赛艇实船测试系统的发展为多人艇配合问题的研究带来了发展．通过测试各队员的桨力一时间、桨力一角度曲线，可根据问题有针对性地训练，提高比赛成绩。     

导管结构改进后导管桨的水动力性能研究

对19A导管桨的试验模型进行改进,在导管内壁后半部分增加突起结构来提高导管桨的推进效率.应用计算流体力学中的SSTk-ω模型对19A导管Ka4-55螺旋桨的水动力性能进行计算,得到了导管桨在各个进速系数下的推力系数、转矩系数和螺旋桨效率以及导管上的推力系数.通过与实验结果进行对比,验证计算方法的可靠性.对导管改进结构参数进行优选,得到设计进速系数下效率较高的导管模型.对比结果显示:改进导管可以提高导管桨效率,设计进速系数J=0.5处,效率能够提高2.62%.通过对比改进前后导管桨压力分布和导管内速度分布,分析了改进导管桨水动力性能提高的机理.     

初始形状对浮升气泡动力特性的影响

采用Level Set方法,三维直接数值模拟了浮力作用下单个气泡的上升运动.数值模拟中,气液系统的物性参数设置为埃奥特沃斯数Eo=1～103,莫顿数Mo=10-10～102.数值研究了气泡的初始形状对气泡的变形和上升速度的影响,并与文献中结果进行了比较;给出了高Eo时气泡由球帽状转变为气泡环的结构相图,确定了二者形状转变的Eo和Mo;最后详细分析了初始形状影响气泡动力学特性的机理.模拟结果表明:低Eo(Eo<52)时浮升气泡的终端形状与上升速度基本不受初始形状的影响;高Eo和低Mo时的浮升气泡受初始形状的支配,呈现出球帽状和气泡环两种最终形状,初始气泡的高宽比越大,气泡越容易变形为气泡环,上升速度的脉动也越剧烈.     

桨叶变形对复合材料桨水动力性能影响

采用面元法与有限元法相结合的方法,对复合材料螺旋桨桨叶变形与水动力性能之间的关系进行了研究.利用基于速度势的低阶面元法对螺旋桨的受力特点进行分析,在此基础上给出复合材料螺旋桨性能提升的原理性说明;假设厚度分布与拱度分布不发生变化,推导了桨叶变形后螺旋桨几何参数的数学表达式;以某型螺旋桨为对象,利用建立的流固耦合算法,研究了复合材料螺旋桨桨叶变形特性及变形对水动力性能的影响,并给出了螺旋桨在不同工况下的最佳几何形状.研究表明:螺旋桨在不同工况下均具有最佳几何形状,相比于刚性桨,处于最佳形状的螺旋桨其效率均有提升,离设计工况点越远效率提升越明显.     

叶片数及分流叶片位置对离心泵性能的影响

应用CFD流场数值计算程序对两类不同长叶片、两类不同长短叶片和一类超短叶片配置的离心泵进行数值模拟,讨论叶片数、分流叶片不同径向位置及周向位置对离心泵内流场及整机性能的影响.结果表明,选择合理的叶片数和分流叶片的径向及周向位置,可以有效降低长叶片的负荷,有效提高泵的扬程和效率,避免叶片数过多引起的叶轮进口堵塞和叶轮流道内发生回流和漩涡.当离心泵分流叶片进口直径为叶轮直径的0.68,分流叶片向长叶片背面偏置5°,叶片数为4个长叶片和4个超短叶片时,离心泵的整体性能最佳.     

蜗壳截面尺寸对气动性能影响研究

针对压缩空气储能系统中某闭式向心涡轮,设计不同截面尺寸的矩形截面有叶蜗壳,采用CFD(computational fluiddynamies)方法对带蜗壳的向心涡轮进行整级全周数值计算,研究蜗壳截面尺寸对向心涡轮性能的影响.结果表明,当蜗壳无量纲气动尺寸S1小于0.2时,随着S1的增加向心涡轮性能得到提高并且性能提高的速率逐渐减小;当S1大于0.2后,随着S1的增大向心涡轮的性能保持不变或者略有下降;与所研究用向心涡轮相匹配的蜗壳最优无量纲气动尺寸接近0.2,而蜗壳截面宽度B的变化对向心涡轮性能没有明显影响.通过对向心涡轮压力损失及内部流场的详细对比分析,揭示了S1及B对向心涡轮影响的机理,为向心涡轮的设计和优化提供一定的参考.     

模型冰尺寸对船舶尾流场影响的PIV试验研究

以76000DWT 1B级冰区加强型巴拿马散货船的缩比模型为研究对象,应用粒子图像测速(PIV)技术对船舶的敞水标称伴流场及船体具有不同尺寸模型冰(5cm×5cm×2cm,10cm×10cm×2cm,15cm×15cm×2cm)附着条件下尾部标称伴流场进行了测量,模型冰选取聚乙烯泡沫挤塑板.并对轴向速度分布、速度矢量分布及流线等进行了分析.研究结果表明:船底及舷侧附着冰的存在,导致裸船体航行时产生的艉部伴流场受到干扰,船壳附近湍流边界层结构被破坏,附着冰状态下均表现为较高的平均伴流值,敞水工况下的平均伴流值、15cm模型冰工况下的平均伴流值、10cm模型冰工况下的平均伴流值、5cm模型冰工况下的平均伴流值呈现依次递增的情况.     

冰锥作用位置对冰弯曲破坏模式影响数值分析

通过显式动力分析软件ANSYS/LS-DYNA模拟了冰锥相互作用的动态断裂过程,得到了冰排内部的应力分布和裂纹扩展趋势.冰上下表面的应力分布有较大差别,在冰锥接触处首先出现径向裂纹.基于数值结果比较了在不同冰锥作用位置时,冰应力分布及裂纹扩展趋势的差异,并进一步分析了冰锥作用位置和破坏模式转变的关系.结果表明,冰锥作用位置对冰排应力分布和裂纹扩展趋势的影响较小,不是影响破坏模式转变的一个重要因素.