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.     

基于体积力法的船体自航性能数值预报

为实现船舶自航性能的快速预报,应用计算流体力学（CFD）方法,采用一种便捷的描述型体积力模型替代螺旋桨的作用,分别在无舵实船自航点和有舵模型自航点2种条件下对MOERI(Korea Research Institute for Ships and Ocean Engineering)集装箱船(KCS)的黏性自由面流场进行了数值模拟.依据等推力法、敞水计算和螺旋桨敞水曲线等,计算船体自航性能相关参数.计算结果与试验结果吻合良好.研究结果表明,使用描述型体积力法可以便捷而较为准确地预报船体自航性能.     

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.     

考虑螺旋桨水动力的双桨船操纵运动数值模拟

针对实桨法模拟螺旋桨旋转计算效率低且双桨船尾流场复杂,而螺旋桨体积力法一般不考虑操纵运动下尾流场不均匀性对螺旋桨水动力性能影响的问题,采用RANS方法、重叠网格技术和螺旋桨体积力法,以DTMB5415M为研究对象,进行了双桨船操纵运动数值模拟研究．首先,对DTMB5415M进行了约束模试验数值模拟,以求取操纵运动下螺旋桨的水动力性能,从而建立操纵运动下的螺旋桨修正体积力模型;然后,将该螺旋桨修正体积力模型和原螺旋桨体积力模型分别用于DTMB5415M的操纵运动数值模拟．结果表明：螺旋桨修正体积力模型相比原体积力模型考虑了船尾伴流场不均匀性对真实桨侧向力和推力的影响,可以较准确快速地进行船舶操纵运动数值模拟．     

基于CFD的船舶导管螺旋桨的水动力性能研究

运用计算流体力学软件对黏性流场中导管螺旋桨的水动力性能进行了计算研究,模拟了导管螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数、导管螺旋桨表面压力分布等.首先利用UG及Gambit建立计算模型,然后在FLUENT软件中利用滑移网格(Moving Mesh)的方法计算导管螺旋桨在敞水状态下推力以及转矩.最后将计算结果与模型试验值进行比较,CFD计算结果与模型试验结果吻合.     

查洁法结合RANS方程的滑行艇阻力计算方法

针对雷诺平均Navier Stokes（RANS）方程结合流体积法（VOF）计算滑行艇阻力耗时较长、现有滑行艇阻力估算公式精度较低且适用范围有限,提出了一种查洁法结合RANS方程的滑行艇阻力计算方法.通过求解艇体平衡方程,迭代求出艇体航态,动态计及升沉和纵倾角对艇体流场和阻力计算的影响.对于艇体航态变化显著时的阻力计算（体积傅氏数F>1.5）,先采用查洁法估算初始纵倾角,再求解RANS方程可大幅提高计算效率.采用该方法计算了现代滑行艇模型4667 1和SM5的阻力、升沉和纵倾角,并与试验结果对比.结果表明：0.26≤F≤6.03,阻力计算值与试验值误差小于7%,升沉和纵倾角计算值与试验值吻合良好,从而验证了所提出的计算方法有效性.     

调距桨锁轴拖带工况最小拖桨阻力和水动力矩

采用计算流体力学方法,对某典型5叶调距桨锁轴工况拖桨阻力以及相应的水动力矩随螺距和进流速度的变化特性进行了数值计算,分析了这些特性的流体力学机理. 数值计算基于有限体积法,通过数值求解螺旋桨周围三维黏性不可压缩流场RANS方程来模拟螺旋桨在各种工况下的流动特性. 计算结果表明：来流速度相等时该调距桨在最大正车螺距时拖桨阻力最大,其幅值约占同航速下船体阻力的80%,水动力矩也最大;在最大倒车螺距时拖桨阻力最小,其幅值约占同航速下船体阻力的50%,水动力矩比最大正车螺距时显著减小;零螺距时拖桨阻力大小居中,而水动力矩最小,接近为零. 上述结论可为船舶动力装置部分桨工况时联控曲线的设计和锁轴机构的设计提供理论参考.     

船舶螺旋桨黏性空化流场数值方法

以螺旋桨E779a为对象研究适合螺旋桨黏性空化流场的数值方法.基于黏性多相流理论,在均匀入流条件下数值求解纳维-斯托克斯(N-S)方程和空泡动力学方程组来预报螺旋推力系数KT、轴向速度UX和蒸汽体积分数av.数值结果表明,增加螺旋桨盘面至压力出口的计算空间距离后KT和UX的准确性提高了约3%.螺旋桨外围圆柱形规则区域用结构网格划分可以明显改善片空化的预报.对于相同网格策略,网格尺寸在一定范围内减小对片空化位置、KT和UX的预报结果影响不大,但片空化程度预报的准确性提高23%.网格收敛指数表明网格无关性较好,标准k-ω模型使计算容易收敛,大涡模型可提高UX和湍流动能的预报精度.     

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.     

基于两种螺旋桨建模方法的全附体船模斜拖试验数值模拟

应用计算流体动力学(CFD)方法数值模拟约束模试验以获取船舶操纵水动力导数,是建立船舶操纵运动数学模型的有效方法.在数值模拟全附体约束模试验中,选定合适的螺旋桨建模方法,是既快速又准确地计算船体水动力的关键.应用CFD方法求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,分别采用体积力法和基于实桨的滑移网格法对螺旋桨进行处理,数值模拟了全附体KCS船模的斜拖试验;通过水动力数值计算结果与基准试验数据的比较,验证了所采用的数值方法的可靠性.对两种螺旋桨建模方法的结果进行比较可以发现,综合考虑计算成本和计算精度,体积力法可以代替实桨方法进行全附体约束模斜拖试验数值模拟.     

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.     

喷水推进器与螺旋桨工作特性的差异及分析

采用计算流体动力学（CFD）方法模拟了某典型喷水推进器和螺旋桨周围流场,得到流场随进速比的变化规律.借助于机翼理论,从叶元体受力角度分析了进速比对喷水推进器和螺旋桨负荷的影响.结果表明：从设计进速比到零进速比,喷水推进器叶片来流攻角变化不大,同一半径处攻角增大不到2°,力矩系数增幅仅在5%以内;而螺旋桨同一半径处的攻角可增加10°以上,零进速比时的力矩系数是设计进速比时的2.16倍,这说明即使在低进速比条件下,驱动喷水推进器的主机也不易超负荷,而驱动螺旋桨的主机则恰好相反.     

桨前节能装置节能效果的理论预报方法

针对节能装置节能效果的预报仍然依赖模型试验,理论方法对节能效果的预报存在较多困难的问题,提出了一种基于面元法和RANS(Reynolds Average Navier Stokes)方程的桨前节能装置节能效果的理论预报方法,并以此准确预报了某肥大型船裸船体及安装节能装置后船体桨盘面的伴流场,在此基础上,采用低阶面元法,编写了在该伴流场中螺旋桨非定常水动力性能的预报程序,预报了螺旋桨前置导管、补偿导管和整流鳍的节能效果.计算结果表明,采用该方法预报桨前节能装置的节能效果是可行的,安装3种节能装置后,螺旋桨的效率均有显著提高.     

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.
     

一种基于计算流体力学的三维船舶横摇阻尼预报方法

针对三维船体强迫振荡运动,以黏性流理论为基础,通过求解雷诺平均纳维 斯托克斯(Reynolds averaged Navier Stokes,RANS)方程,计及自由面影响情况,对S60船在有航速和无航速时不同幅值的横摇运动进行了数值模拟.分析计算了三维船模的横摇阻尼系数,研究了横摇幅值和航速对横摇阻尼的影响,并与试验值和势流计算值进行了比较.结果表明,数值模拟能够显现出船体流场非线性特征以及黏性的影响,横摇阻尼系数与试验值吻合良好,较势流方法预报更为准确,可广泛应用于船舶与海洋工程浮式结构物的水动力性能分析研究.     

基于零兴波理论的非常规小水线面双体船设计

基于零兴波阻力理论,提出了一种非常规的S曲线形小水线面双体船(SWATH),其片体关于船中对称,单片体有一定艏向偏角.基于雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程黏流理论对设计进行求解验证,给出了设计的非常规SWATH静水中阻力性能.与常规带有鱼雷体状潜体的SWATH相比,设计的S形非常规SWATH不仅在低航速下(弗劳德数Fr=0.3)具有较低的阻力,在高速下(Fr≥0.8)也具有绝对的低阻优势.     

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.