基于CFD的桨舵水动力干扰研究

为了观察舵对桨叶表面压力分布以及桨后尾流场的影响,以B4-55桨和展弦比为1.0的NACA0020的流线型舵为算例,采用计算流体力学方法分析了桨舵干扰的水动力特性。为了提高网格质量,计算域被分为包含螺旋桨的旋转域、包含舵的静止域以及除二者之外的静止域3部分,并采用不同的网格策略对其进行离散。离散方程用K-ω模型求解,旋转域与静止域之间的相对运动通过MRF技术模拟,并利用交界面技术实现数据传递。分析了不同进速系数下桨舵干扰的规律以及舵攻角对螺旋桨的推力、转矩的影响,研究了流场的速度以及压力分布。数值结果和试验结果的比较表明,采用的计算模型和离散方法能够得到准确的计算结果。     

肥大型船舵法向力的试验研究

舵法向力可视作舵对来流的响应。船、浆的存在仅改变舵上来流的大小和方向而影响舵法向力。本文以试验研究的方法探讨了船、桨两者对来流的作用规律,提出了肥大型船在不同漂角时计算舵法向力的公式: C_N=[1 τ(β)]~2k_O(2π)/(1 2/λ)sin[δ-δ_O(β)] 并对船舶后体形状的影响作了探讨。     

基于CFX的全垫升气垫船船身空气动力模拟

基于Solidworks三维实体建模软件建立了全垫升气垫船三维模型,利用ANSYS CFX计算流体力学软件对全垫升气垫船模型的流场进行数值模拟,计算得到了不同攻角和漂角下相应的空气动力系数;讨论了攻角及漂角的变化对空气动力系数的影响.数值结果表明:随着漂角的增大,横向力也增加,漂角达到90°时横向力最大;随着漂角的增大,纵向阻力降低,漂角为90°时达到0°;漂角继续增加时,纵向阻力为正值,横向力、垂向力增大显著,进而严重影响了全垫升气垫船航行的稳定性.将模拟计算结果与试验数据进行对比,发现计算值与实验值符合较好,验证了CFX软件在全垫升气垫船空气动力学模拟中的适用性和可靠性.     

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.     

航行船与停泊船水动力相互作用的数值分析

采用动网格技术并选取RNGk-ε湍流模型,通过求解非定常RANS方程,对浅水中航行船与停泊船相互作用的三维非定常黏性流场进行了数值分析.计算了停泊船受到的水动力,通过将计算结果与经验公式结果进行对比,验证了本文采用的数值计算方法的有效性;计算了航行船所受水动力,比较了作用在航行船和停泊船上的水动力的大小.最后,计算了不同水深、两船间距、停泊船离岸距离和航行船离岸距离条件下停泊船受到的水动力,并对计算结果进行了分析,得出了以上4种因素对停泊船受到的水动力作用的影响规律.     

船桨舵一体化耦合下的双桨船数值自航模拟

针对船-桨-舵一体化耦合时的相互干扰问题,基于雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方法,应用滑移网格技术(SMT)和流体体积函数(VOF)模型,对DTMB5415双桨船在巡航以及最高航速下的航行性能进行研究。将船舶阻力、螺旋桨敞水性能以及最高航速下的自航点计算结果与试验结果进行比对,验证了该计算方法的准确性与可行性。对安装螺旋桨前后的船体阻力成分、船表压力分布以及波形云图进行分析,阐述了螺旋桨对船体性能的影响;基于快速傅里叶变换(FFT),探讨了舵在螺旋桨尾流中的非定常性能。     

基于重叠网格方法的襟翼舵水动力性能的数值模拟与分析

CFD技术的高效利用是当前船舶设计领域的重要课题,而可靠的数值模拟方法能更好利用CFD技术进行舵的优化设计。本文以生成更高质量的计算网格、建立更合理的襟翼舵水动力性能数值模拟方法为研究目的,以"CSSRC舵"为研究对象,采用重叠网格方法构建襟翼舵网格模型,利用针对船舶设计的自主开发软件OSHIP进行数值计算方法研究;通过模型构建、收敛性分析和数值计算,最终建立了可靠的襟翼舵水动力性能数值模拟方法。该方法数值计算结果与实验数据的相对误差在6%以内,表明该方法可靠合理,且更为简便,可应用于对襟翼舵优化设计的后续研究。     

激光雷迪尔级帆船水动力特性试验与数值计算研究

采用试验观测和数值计算的方法研究了六自由度激光雷迪尔级帆船的水动力特性.设计了一套帆船六元力试验测量方法,通过拖曳水池试验获得帆船的水动力特性.采用雷诺时均计算方法和重叠网格技术,通过对试验和仿真的六元力结果进行对比,验证了数值计算方法的准确性.对不同航行姿态下的帆船水动力性能进行了模拟,分析了船体航速、迎角、侧倾角、漂角四个因素对帆船六元水动力的影响规律.研究结果表明：对纵向力影响权重较高的因子是航速和迎角,纵向力与航速呈非线性关系;对横向力影响较大的因子是漂角且两者呈线性关系;侧倾力矩主要受侧倾角和漂角的影响,随侧倾角的增加先减小后增大,在侧倾角为15°附近出现拐点;俯仰力矩受航速和迎角影响较大,随迎角的增大呈线性增大关系;转首力矩对漂角变化响应最大,随漂角增大线性增大.文中获得的六元水动力特性和数据可为提高帆船的操纵性提供重要数据支撑.     

斜流中泵喷推进器流场变化规律数值分析

基于SST(剪切应力输运)k-ω湍流模型与滑移网格技术,对不同进速系数(J=0.95,1.18,1.58)及不同斜流角(β=0°,10°,20°)下泵喷推进器流场变化规律进行了数值分析.利用P4119桨进行了数值方法验证,并进行网格无关性验证.为保证计算结果的准确性,采用全通道模型及全结构网格进行数值计算.计算结果表明:随着斜流角的增大,横向力和垂向力出现明显波动,不同斜流角间的波动幅度相对一致,且随着斜流角的增大而减小;随着进速系数及斜流角的变化,压力系数在转子导边、随边处出现明显波动差异,定子叶片压力系数波动比较稳定.     

基于微平面模型和正则化的脆性岩石损伤破裂模拟方法

为解决有限元计算在模拟脆性岩石损伤过程方面的网格依赖性问题,本文基于微平面模型和正则化方法建立了改进的微平面损伤模型,将单轴压缩条件下的岩石实验结果与数值模型进行了对比.引入不同非均质系数对三点弯曲岩石试样的损伤发展进行模拟,结果表明非均质系数越高损伤区域越集中.此外,通过引入高阶梯度正则化方法对不同特征长度的三点弯曲实验进行数值模拟.特征长度为1mm时,在不同网格尺寸下的正则化微平面模型的损伤演化结果基本相同,而没有采用正则化方法的微平面损伤模型在不同网格尺寸下出现明显的网格依赖性.最后,通过对比普通模型和正则化模型的载荷-位移曲线,发现网格密度对采用高阶梯度正则化后的微平面损伤模型损伤演化影响较低.     

港内船舶低速航行时的舵效

为研究船舶在停车淌航时的舵效,采用MMG建模方法,将常速域和低速域数学模型相结合,建立适于港内船舶运动的数学模型,并考虑浅水、低速、漂角等因素的影响,利用MATLAB软件进行算法实现.对三种船型在港内停车淌航时的舵效进行仿真,通过对仿真结果的分析与比较,得出影响舵效的系列结论;同时,综合专家意见,得出三种船舶有舵效的最低速度,可为驾引人员在实际工作中提供参考.     

全垫升气垫船4自由度操纵性

建立了全垫升气垫船的4自由度操纵运动数学模型,用风洞试验来测量空气动力、螺旋桨力和舵力,用水平面平面运动机构进行约束模型试验来测量水动力,试验中变化了速度、漂角、摇首角速度和横倾角.对操纵性进行模拟计算的结果表明:全垫升气垫船的回转轨迹是一条逐渐向内收缩的螺旋线;操固定舵角回转是比较危险的,在舵角较大时就容易产生甩尾;风对回转的影响很大,在顺风速度很大时气垫船不能转向.     

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.     

船舶操纵粘性流求解器的开发与应用

介绍了基于求解雷诺平均纳维-斯托克斯(RANS)方程的分区网格船舶操纵粘性流求解器,以及应用该求解器计算船舶操纵相关的粘性流动与水动力的研究工作.计算了舵的粘性流场和水动力,所预报的舵升力曲线和阻力曲线在舵角未达到失速角前,与现有的试验和计算结果符合良好,所预报的舵失速角稍偏小.还计算了6∶1椭球体和Wigley船体做大角度定常斜航运动时的3维粘性流场及水动力,正确地模拟这种以层流/湍流分离流为主的复杂粘性流动,从而检验和验证了该求解器精确模拟粘性分离流动和计算水动力的能力.     

Thrust Allocation Optimization in Dynamic Positioning Vessels with Main PropellerRudders

In order to deal with the chattering of rudder angle and the problem of non-convex attainable thrust regions,introduce the concept of dynamic attainable region for each thruster and rudder to limit the thruster rotational speed and the rudder angle,and decompose the thrust allocation optimization problem into several optimization sub-problems.The optimization sub-problems were solved by particle swarm optimization(PSO) algorithm.Simulation studies with comparisons on a model ship were carried out to illustrate the effectiveness of the proposed thrust allocation optimization method.     

基于剪切层扇形分层模型的射流声传播分析

通过计算流体力学建立一种扇形分层剪切层速度模型,并以此为基础用几何声学方法推导整个射流结构的声传播模型.以实际开口式风洞为研究对象,用数值仿真给出射流结构速度分布.建立速度随角度均匀变化的扇形分层剪切层速度模型.用声折射理论推导不同速度层之间的声传播.以声漂移量为指标对射流声传播模型进行声学风洞试验验证,证明本模型对声漂移量的预测精度更高,在高风速、剪切层较厚的情况下,优势尤为明显.     

多场载荷作用下舵面蒙皮响应分析

试验研究表明,导弹舵面在工作环境中承受严酷的气动力载荷、气动热载荷和噪声载荷。多种载荷相互影响使舵面产生剧烈振动,严重影响打击精度;甚至导致蒙皮开裂引起疲劳失效。以某型号导弹C/SiC复合材料舵面蒙皮为研究对象,基于WORKBENCH/VA-ONE程序平台,将自定义函数(UDF)建立的热流固耦有限元控制方程和边界元声场控制方程相结合,推导出改进的耦合边界元/有限元法(BEM/FEM)计算模型。通过此方法数值模拟导弹真实飞行环境,计算出了蒙皮表面危险点位置和不同飞行环境下响应特性;结果表明,通过改进的耦合BEM/FEM计算模型,能够较准确地反应导弹在真实飞行环境下舵面蒙皮响应特性随环境变化特征,为导弹舵面可靠性设计提供了一种有效的数值计算方法。     

运输机升阻特性仿真与风洞试验相关性方法

以M3飞机配装某型发动机三维模型为研究对象,采用CFD方法对整机流场进行数值计算。对于带动力短舱模型,利用分区拼接网格技术对发动机内流场和飞机外流场进行网格划分和拼接;在此基础上采用雷诺平均N-S方程,基于S-A湍流模型,开展了不同发动机状态、马赫数及攻角的仿真计算。以FNPR=1.61时,试验获得的升阻系数作为基准,在不同攻角下,获得CFD计算结果的修正因子,结果表明：修正后的数值计算结果与风洞试验获取的升力特性曲线,贴合程度好,在攻角小于14°内误差小于3%;修正后的阻力特性曲线整体趋势与风洞试验一致,误差小于10%,阻力系数都是随攻角的增大而增大,且在攻角大于10°后快速增大。     

基于航迹误差预测模型的船舶自适应控制

为提高船舶控制精度,根据船舶航迹、航向、航速、舵角特性和历史数据,采用卡尔曼滤波进行误差预测估计,利用反传多层感知器自适应网络建立船舶航迹误差预测模型,并采用舵角、航向、航迹三层串级回路系统结构,完成自动舵控制功能.在风浪干扰、改变船舶模型的回转性指数、追随性指数、延迟因子和积分因子情况下,该系统以较少的舵角动作迅速收敛,减小了航迹的波动幅度和次数,使船舶航迹与预定航线更加拟合.仿真结果表明,在模型失配情况下,该系统仍可保持稳定的输出和光滑的控制作用,具有较好的鲁棒稳定性和良好的动态调节品质.     

Brilliant Anti-Tank Submunition转平机动的舵效率改进研究

针对Brilliant anti-tank submunition(BAT)舵效率不足,不能有效转入平飞的问题,首先基于气动工程估算的方法计算气动数据,通过与风洞实验数据对比,证明了估算结果的准确性. 估算结果与风洞实验结果同时说明BAT外形舵效率较低,无法提供足够的俯仰过载,弹道仿真进一步表明原外形BAT不能有效地转入平飞. 针对BAT外形舵效率较低的情况,尝试通过对外形的改变来提升舵效率,包括增加弹翼弦长和展长及改变舵位置. 结果表明这些改变均可不同程度上消除原有不足. 进一步研究发现将原副翼舵面改变成尾舵后,可以大幅提升全弹的可用俯仰过载,使BAT机动能力有效提升. 弹道仿真表明外形改进后的BAT可用过载增大,高度变化平滑,可以有效地转入平飞.