拖式与推式吊舱推进器水动力性能数值仿真及对比

为研究吊舱推进器在直航和回转工况下的推进性能,通过RANS方法结合标准k-ε湍流模型对拖式与推式吊舱推进器在不同工况下的水动力性能进行对比分析.分别计算拖式与推式吊舱推进器直航与回转工况下的推力系数与转矩系数,并与试验结果进行对比以验证数值计算的准确性.直航工况推进特性曲线、回转工况的推力系数与转矩系数曲线对比结果表明,数值计算可以准确预报吊舱推进器的水动力性能.根据该模型计算了斜流工况时两种推进器的推力、转矩系数以及轴向力和侧向力系数随角度的变化规律.结果表明,本文提出的水动力模型可以准确预报不同工况下吊舱推进器的水动力性能.     

串列异步拍动翼推进性能分析

以滑波推进器为原型,基于RANS方程,采用动网格技术计算了6翼异步拍动翼串列时的水动力性能,探讨了来流、摆幅角、翼间距、运动周期和升沉幅度等对其推进性能的影响,并建造样机.计算结果表明,串列异步拍动翼不同位置翼表现出不同的性能,且任一位置翼比单片异步拍动翼产生更大的推力.尾涡分析表明,翼间涡系干扰是不同位置翼性能不同的主要原因,且其干扰对推力的产生有利,小间距时可产生更大推力.     

吊舱式推进器偏转工况下水动力性能

针对吊舱推进器的关键技术,探讨了吊舱推进器在偏转状态下的水动力性能.利用空泡水洞以及吊舱动力仪进行了吊舱推进器在偏转工况下的一系列试验研究,比较分析了不同偏转角下吊舱推进器水动力性能.同时,结合RANS（Reynolds averaged Navier-Stokes）方程和RNG（Random number generation） k-ε湍流模型,运用滑移网格方法对吊舱推进器在偏转状态下水动力性能进行了数值模拟,并将试验结果和数值结果进行了比较分析.结果表明：偏转角度越大,试验值与计算值偏差越大,尤其是吊舱推进器沿来流方向推力的偏差较大,但总体变化趋势较为一致.
     

冰阻塞状态下吊舱推进器水动力性能分析

为了分析L型吊舱推进器在冰阻塞状态下的水动力性能以及流场特征,基于RANS方法,运用重叠网格技术,对L型吊舱推进器在螺旋桨-冰不同距离下的非定常水动力性能进行了数值计算.研究结果表明:随着螺旋桨-冰之间距离的逐渐减小,螺旋桨和吊舱单元的推力和扭矩逐渐增加,距离较近时增加迅速,但增加值不稳定;当螺旋桨-冰之间的距离逐渐减小时,阻塞区域内桨叶的压力差逐渐增加,其他桨叶的压力差几乎不变;舱体和支架的压力差增加;螺旋桨-冰之间阻塞区域内轴向来流速度先减小后增加再减小,非阻塞区域的轴向来流速度几乎不变;螺旋桨尾涡的高速区向螺旋桨旋转方向逐渐增加.     

轻载下的螺旋桨空化流场数值模拟

以PPTC′11(Potsdam Propeller Test Case 2011)桨为研究对象,基于均质混合流模型及ZGB和Sauer空化模型,通过对网格形式、网格密度和空化参数的探讨,对第2届船舶推进器国际研讨会(SMP′11)上的轻载空化算例Case 2.3.3进行了螺旋桨空化流场及水动力数值计算.结果表明:轻载下的螺旋桨推力系数和转矩系数对网格密度要求较高;给出的计算方法可准确预报螺旋桨水动力及梢涡与叶背、叶面片空泡;螺旋形网格是一种有前景的梢涡空泡捕捉方式;含气率及气核密度等参数对计算结果的影响较大.     

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.     

吊舱推进器桨毂间隙影响的数值分析

以拖式吊舱推进器为对象,采用求解RANS（Reynolds Averaged Navier Stokes）方程的方法研究桨毂间隙对水动力性能的影响,应用滑移网格技术处理桨叶与吊舱的非定常相互作用.分别计算了具有不同间隙宽度的模型,以考察有、无间隙以及间隙宽度变化对推进器各部分水动力的影响.计算结果表明：桨毂间隙对推进器单元水动力及桨叶水动力的影响均很小;桨毂间隙内压力作用于桨毂后端面形成推力,其大小约为桨叶推力的2%~3%;桨毂后端面与桨叶随边的距离一定时,间隙内压力随间隙宽度的增大而降低.     

吊舱推进器桨毂间隙影响的数值分析

以拖式吊舱推进器为对象,采用求解RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程的方法研究桨毂间隙对水动力性能的影响,应用滑移网格技术处理桨叶与吊舱的非定常相互作用.分别计算了具有不同间隙宽度的模型,以考察有、无间隙以及间隙宽度变化对推进器各部分水动力的影响.计算结果表明:桨毂间隙对推进器单元水动力及桨叶水动力的影响均很小;桨毂间隙内压力作用于桨毂后端面形成推力,其大小约为桨叶推力的2%～3%;桨毂后端面与桨叶随边的距离一定时,间隙内压力随间隙宽度的增大而降低.     

运动参数对近波面拍动翼推进性能的影响

研究水翼不同运动参数对近波面二维刚性拍动翼推进性能的影响。首先,根据计算流体动力学(CFD)建立了近液面水翼的计算模型,然后采用速度边界造波及动网格等方法对不同参数下水翼的运动及水动力性能进行模拟和分析,最后,计算比较水翼处于无界流中及近静水面时性能。研究结果表明:恰当的水翼摇摆与升沉间相位差能够有效增加翼推力,提高翼推进效率及波浪能利用效率。波面的存在及恰当的翼摇摆与升沉相位差可增加水翼尾涡梯度、减小涡分布范围,从而增加翼推力及效率。此外,水翼大摆幅角运动可获得较高的推力及效率,而大升沉幅度下水翼推力较高,但效率较低。     

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.     

变航态推进器设计及水动力性能分析

为了改善变航态推进器的推进性能,设计了一种将前桨和后桨集成安装的水下变航态推进器.该变航态推进器采用了高速航态前桨和低速航态后桨相结合的方式,通过两个螺旋桨的转速匹配来提高推进性能.使用切割体网格划分方式对流场域进行网格划分,对推进器周围的流场进行网格加密,采用滑移网格实现螺旋桨的旋转.使用雷诺时均-斯托克斯(RANS)方法对变航态推进器的水动力特性进行了分析.从数值模拟结果可以看出:转速匹配有利于水动力性能的提升,但由于存在摩擦阻力,转速匹配不能完全抵消高速螺旋桨引入所带来的水动力性能下降;同时,旋转的前桨有助于降低后桨表面受到的不定常力.     

融合升力线理论和雷诺时均模拟在螺旋桨设计和 水动力性能预报中的应用

同时采用Lerbs非最优螺旋桨理论和Epps最佳环量分布理论,将螺旋桨升力线方法由初始设计应用扩展到敝水性能预报,对DTMB 4119、4381、4382和4497这4个螺旋桨的敞水性能曲线进行了预报分析.针对升力线方法在中度负载区间的适用限制和无法在黏性流场中考虑桨叶空化性能的缺陷,进一步将Epps方法与雷诺时均（RANS）模拟相结合,可明显提高低、高负载区间的敞水性能预报精度.Epps方法预报精度要高于Lerbs方法,能够满足工程初始分析需求.随着远离设计工况点（低、高进速系数）其预报误差变大,桨叶侧斜程度和纵倾存在也会增大预报误差.RANS模拟时桨叶切面型值由升力线方法提供,桨叶几何和六面体网格划分均采用程式化操作实现.在分析网格因素影响后,所得推力和力矩系数以及压力系数分布均匀与实验值吻合较好.在RANS模拟中加入混合物均相流空化模型后,可定量得出桨叶梢涡涡束在一定距离内的螺旋轨迹.结合桨叶最大负载截面的空化斗性能和梢涡涡束最小压力点幅值,可相对判定桨叶空化性能.构建了基于水动力性能评价的螺旋桨参数化设计和非空化与空化性能预报的数值平台.
     

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.     

三维摆动水翼仿生推进水动力分析

为了观察三维摆动水翼运动时表面压力的分布以及对流场域的影响,以NACA翼型和展弦比为1.5的NACA0012翼型为算例,采用计算流体力学方法分析了摆动水翼的水动力特性。为了提高网格质量,计算域被分为包含摆动水翼的运动域、包含摆动水翼的尾流场域以及除此之外的静止域3部分,并采用不同的网格划分条件对其进行离散,离散方程采用k-ω湍流模型求解,静止域和流体域之间采用重叠网格方法实现模拟,并利用交界面技术实现数据传递。分析了不同斯特罗哈尔数(St)条件下摆动水翼所受的推力、升力和力矩,研究了流场中速度以及压力分布,通过数值结果分析尾涡产生的机理。     

回转状态下导管螺旋桨水动力特性实用数值模拟方法

以数值模拟手段研究作为水下机器人主要姿态与轨迹控制机构的导管螺旋桨在回转状态下的水动力特性。首先根据所要计算的导管螺旋桨的几何要素构造导管和螺旋桨的三维几何模型,在此基础上采用动网格技术以计算流体力学方法借助计算流体力学软件Fluent,采用有限体积法在导管和螺旋桨所在的流域内求解其N-S方程以此对在作回转运动的水下机器人流场作用下导管螺旋桨以一定转速和一定来流方向下所产生的推力特性进行数值模拟分析,观察在水下机器人主体流场干扰下螺旋桨推进器的水动力现象。为验证所采用的预测导管螺旋桨水动力特性数值方法的有效性,在Ka 4-70/19A标准导管螺旋桨已有实验数据的基础上,将数值模拟结果与试验结果进行比较,对比结果表明本文所采用的数值方法是可靠的。     

基于离心泵的多级液力透平的性能预测与数值模拟

建立多级离心泵的全流道三维实体模型,划分网格后导入Fluent定义边界条件.采用定水头变转速模拟方案,选取600m水头时不同转速工况点进行计算.绘制综合特性曲线并确定最高效率点对应的单位转速、单位流量.研究不同转速时透平的性能,得出透平的水头、功率曲线及最高点效率值随流量略微变化.固定转速改变流量做全流道数值计算,分析最优工况多级透平过流部件内部流场分布,发现进水室底部有两股液流混合撞击,反导叶有流动旋涡,出水室有螺旋尾迹涡带,叶轮头部还存在冲击损失等.针对以上现象,提出多级离心泵反转做透平使用时结构改进的措施.     

导弹构形横向喷流干扰流场数值模拟

利用对称TVD格式和重叠网格技术数值模拟了翼面位置不同的两种导弹构形的横向喷流干扰流场,研究了喷口附近的流场结构、涡系结构、波系结构及流动分离等流场特性及翼面位置对干扰效应及气动性能的影响,并将计算得到的干扰力放大因子和干扰力矩系数的结果与实验结果进行比较,吻合良好.     

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.     

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.     

吊舱螺旋桨水动力性能研究

基于数值模拟技术及实验技术研究了吊舱桨的水动力性能。利用Fluent软件建立了吊舱螺旋桨的几何模型,依据流场环境进行了网格划分并设置了边界条件。通过数值模拟结果,分析了吊舱桨页面与叶背的压力分布特征,分析了吊舱桨的推力组成及进速系数的影响,并分析了桨盘面的流动特性。