基于大涡模拟的螺旋桨梢涡数值分析

为研究螺旋桨的梢涡脱落规律,基于STAR-CCM+软件平台,采用重叠网格技术和大涡模拟方法,通过求解纳维-斯托克斯方程,对螺旋桨的速度场和涡量场进行了详细的研究,并且比较了不同进速系数下螺旋桨梢涡形态的差别.数值研究结果表明:基于正交网格的大涡模拟能够较好地模拟螺旋桨的梢涡形态,低进速系数下螺旋桨的梢涡强度增大并且显得比较紊乱;高进速系数下螺旋桨梢涡则呈现出比较规则的螺旋涡管形状.     

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.     

考虑旋转和曲率修正的螺旋桨梢涡流场模拟

应用显式代数雷诺应力湍流模型对螺旋桨尾流中梢涡流场分布进行了数值研究,为了避免过高地预报梢涡涡核内湍流黏性耗散,对湍流模型进行了旋转和曲率修正．应用全六面体网格对螺旋桨计算域进行网格划分,为了避免数值离散误差,对梢涡区域进行了网格加密处理．计算结果表明：提出的尾流中梢涡流场分布数值模拟方法能够准确预报螺旋桨梢涡流场的分布及涡核位置,并准确反映了梢涡形成和发展过程中梢涡内主涡和次涡的关系,与实验测量结果基本一致．     

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．     

空化流中具有升沉运动状态的螺旋桨数值模拟

基于雷诺平均纳维-斯托克斯方法对空化流中具有升沉运动状态的螺旋桨进行了数值模拟,螺旋桨旋转与升沉运动的耦合采用自主定义的运动方程来实现,升沉运动简化为基于正弦函数运动规律的周期性运动,非定常流场的数值传递采用重叠网格技术实现.对不同升沉运动周期下的螺旋桨非定常推力系数、扭矩系数进行了分析,对螺旋桨的非定常空泡性能以及尾流特征进行了对比研究.结果表明:升沉运动会加剧推力系数和扭矩系数的非定常特性,并导致螺旋桨片空泡的非均匀分布;升沉运动周期越小,桨后涡结构的干扰效应越强,螺旋桨诱导的脉动压力幅值越大.计算结果对螺旋桨的优化设计具有一定的理论参考意义.     

非线性涡格法预报桨后舵附推力鳍水动力性能

对螺旋桨与舵附推力鳍分别采用升力面法和非线性涡格法计算.螺旋桨、舵附推力鳍两者之间的相互干扰采用迭代计算.数值计算过程中考虑了推力鳍端部分离涡的影响,提高了理论预报的准确性.螺旋桨尾流区分为过渡区和远尾流区.过渡区长度取3.0D,以使舵附推力鳍完全处于螺旋桨尾流的过渡区内,过渡区采用圆锥螺旋面来模拟涡片的变形现象.对影响推力鳍助推效率的几个主要参数进行了变尺度研究.并将结果与前人的计算结果进行了对比,计算结果显示螺旋桨后的舵附推力鳍助推效率随着安装角的改变而显著变化.存在最佳安装角,大约为5°,离开这个最佳安装角,推力鳍的助推效率将下降;推力鳍的展长与螺旋桨半径之比在0.9左右时推力鳍的助推效率最高;螺旋桨进速系数越小,推力鳍的助推效率越大.     

近自由液面螺旋桨吸气数值模拟

基于雷诺时均(RANS)法,采用剪切应力输送(SST) k-ω模型及与流体体积(VOF)法相结合的方式,对近自由液面工作的螺旋桨进行数值模拟,分析了螺旋桨与自由液面的相互作用关系及吸气对螺旋桨的影响.结果表明:吸气的发生机制与自由液面涡和梢涡有关,且自由液面涡和梢涡的作用大小与螺旋桨的浸没深度相关;螺旋桨由于吸气现象会出现推力损失及扭矩损失,且当螺旋桨与自由液面的距离越近、进速系数越小时,推力损失和扭矩损失的变化波动越剧烈,其稳定后的平均值也越小;由于吸气现象引起的自由液面的不规则变形会对螺旋桨的性能产生较大影响.     

导管式调距桨水动力性能的数值预报分析

采用全结构化网格,利用稳态多参考系(MRF)方法,对普通调距桨和导管式调距桨变螺距下的水动力性能进行了有效预报.首先对普通调距桨水动力性能进行了计算,计算结果与试验数据符合良好.结果表明:进速系数较小时,较小螺距角才能使螺旋桨的效率达到最大,而进速系数较大时,较大螺距角才能使螺旋桨的效率达到最大;通过分析桨叶表面压力变化,发现螺距角变化较大时,叶表面压力变化不均匀,可能导致噪声性能恶化.随后计算了导管式调距桨的水动力性能,分析得出:随着螺距角减小,导管推力也减小,且大进速小螺距角时,螺旋桨效率下降迅速.最后分析了导管式调距桨的尾流场,得出了尾流场速度随螺距角变化的一般规律.     

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.     

基于螺旋加密网格的螺旋桨梢涡空化数值模拟

基于计算流体力学(CFD)Star-CCM+软件,以船用E779A螺旋桨为研究对象,采用大涡模拟方法和Schnerr-Sauer空化模型模拟螺旋桨尖端梢涡空化.在螺旋桨可能发生尖端梢涡空化的位置上使用螺旋管为体积控制,形成螺旋加密网格,对E779A螺旋桨的梢涡空化进行更为精细的数值模拟.实验和数值模拟的水动力结果表明:本文方法具有良好的数值预报精度,推力、扭矩系数和敞水效率较为相符.在此基础上进行基于螺旋加密网格的梢涡空化数值模拟,通过模拟结果可以看出:螺旋加密区的流动得到了更为精细的模拟,并清晰展示了加密梢涡的速度和压力分布.数值和实验的空化结果比较表明:本文方法能够较好地预测螺旋桨的空化,尤其是梢涡空化的形态和规律.     

附体位置对水下航行体伴流场影响规律研究

针对水下航行体围壳和尾翼对流场产生的扰动显著降低螺旋桨推进效率且增加螺旋桨噪声的问题,采用计算流体力学方法对水下航行体周围黏性流场进行模拟,以揭示围壳和尾翼位置对桨盘面伴流场的影响机理及规律,为优化附体布置提供理论支撑.研究结果表明:附体尾流和角区马蹄涡会随着艇体流入桨盘面,影响桨盘面伴流场质量;围壳前移会增加尾流恢复和马蹄涡耗散的距离,利于桨盘面伴流场均匀度的提高;尾翼位置对伴流场的影响更为显著,尾翼后移会减小垂直和水平翼间的距离,促使相邻尾翼马蹄涡融合;当尾翼与桨盘面距离小于临界值时,桨盘面上尾翼马蹄涡控制的核心区均匀性会急剧恶化;随着尾翼后移,其遭遇来流速度减小,桨盘面内半径的湍流强度减小.     

不同叶顶间隙对泵喷推进器性能的影响

基于均质多相流的RANS方程与分块网格技术,结合剪切应力SSTk-ω湍流模型,对E779A桨进行了非空化与空化数值模拟,数值计算结果与实验值符合较好,验证了数值计算方法的合理性与有效性.在此基础上,对不同叶顶间隙的泵喷推进器进行了非空化与空化数值模拟计算,重点对叶顶间隙处流场进行了精细后处理.结果表明:未空化时,间隙尺寸越大,泵喷推进器整体效率值越低,最大间隙与最小间隙之间的效率降幅最大为8.62%,叶顶间隙尺寸直接对泵喷推进器的最优进速系数产生影响.当空化发生时,在最优进速系数下的推进器效率下降幅度最小;间隙尺寸越大,空化后的推进器整体效率越低;在较高转速下,较大间隙的空化面积在叶稍处有更为明显的激增量.     

基于RANS法的B系列对转螺旋桨敞水性能数值模拟

应用RANS法研究B系列对转螺旋桨敞水性能,对单桨和对转螺旋桨进行数值计算,研究不同湍流模型对数值结果的影响,分析研究对转螺旋桨桨距比和直径比的参数匹配问题,比较对转螺旋桨和单桨的敞水效率,剖析尾流场的变化情况,突破传统势流理论方法无法计入黏性和微观流动机理难以分析和把握等局限.数值结果表明:RSM模型的数值精度较高,且选取桨距比和直径比合适的对转螺旋桨明显提高其推进效率,对转螺旋桨后桨能吸收前桨轴向速度和尾涡能量,减小切向速度对流体扰动的影响,增大流经桨叶的流体动量,减小前桨尾流外直径,增加螺旋桨的推力,提高对转螺旋桨推进性能,具有工程实用性.     

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。     

非均匀流场螺旋桨空泡数值模拟

以某油船螺旋桨为研究对象,基于Rayleigh-Plesset方程,采用Schnerr-Sauer空化模型和可实现的k-ε两层湍流模型,利用计算流体力学(CFD)软件STAR-CCM+模拟了非均匀来流条件下螺旋桨的空泡形态.通过对螺旋桨叶梢区域进行有效合理的网格加密,以较少的网格数量成功捕获梢涡空泡.数值计算与试验结果对比表明:计算结果准确再现了桨叶进出伴流区域空泡初生、发展和溃灭的整个历程;每个相位角叶背片空泡形态与试验观察吻合,片空泡面积相差在5%以内;该数值方法虽然能够捕捉到梢涡空泡,但是还不能对梢涡空泡的非定常特性和空间结构进行准确预测.基于上述结果,该方法适用于非均匀流螺旋桨空泡流动模拟.     

螺旋桨尾流-自由叶轮耦合作用的数值模拟

为了探讨螺旋桨尾流与自由叶轮的耦合作用,使用SST(剪应力输运)湍流模型对螺旋桨-自由叶轮流场进行数值模拟.使用切割体网格划分方式对流场域进行网格划分,使用滑移网格方法实现螺旋桨和自由叶轮的运动.分析了自由叶轮对螺旋桨尾涡的切割作用,对自由叶轮桨叶上受到的脉动压力和应力分布进行分析.数值模拟的结果表明:自由叶轮桨叶表面上的压力具有明显的周期性,这一周期性和螺旋桨推力脉动的周期性相一致;在近导边处,叶背上脉动压力的幅值大于叶面上,而在其他位置,叶面上的脉动压力幅值大于叶背上,叶背上的脉动压力的幅值由导边向随边减少;在不考虑重力的情况下,自由叶轮上的应力分布与自由叶轮表面压力分布一致,而在考虑重力的情况下,应力分布发生改变且应力值增大.     

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.     

对转桨综合设计方法研究

为了设计出高效节能的对转桨,采用螺旋桨的旋涡理论分别对前桨和后桨进行设计,前桨和后桨之间的相互影响通过诱导速度来考虑,并用面元法分别进行水动力性能预报.通过实例设计分析发现:在设计进速条件下,该方法设计的对转桨与设计的单桨相比效率可提高10.24%;在一定进速范围内,进速系数越大对转桨节能效果越佳.     

梢涡对拍动平板升力性能的影响

采用有限体积法求解黏性Navier-Stokes方程,以动网格方法基于弹簧变形原理结合拉普拉斯网格重绘方法光顺网格,分析了Re=100时2-D、3-D拍动平板的升力、阻力性能以及尾流场,并采用并行计算求解3-D问题以节省计算时间.通过计算旋转同步、滞后2种拍动模式下平板升力性能,以及拍板运动过程中流场压力分布的变化,探讨梢涡对拍板升力性能的影响.计算结果表明,在旋转滞后模式下梢涡使拍板的升力系数有较大增加,而旋转同步模式下仅使拍板的升力系数稍有增加,说明梢涡对拍板升力性能的影响与拍板运动参数有重要关系.     

艇体对螺旋桨紧急倒车诱导涡的影响

为探究艇体对紧急倒车时螺旋桨诱导涡的影响,基于大涡模拟(LES)湍流模型,以Star CCM+为工具,对Sub-off后的E1619桨周围的流场特性进行计算,并对网格和时间步长进行收敛性分析,提高计算结果的可靠性.计算结果表明:上游艇体的存在会明显加剧螺旋桨诱导涡的变形和演化,进而增加其载荷波动程度及载荷平均值,反之,螺旋桨的紧急倒车运转亦会增加艇体阻力的均值和波动;极限载荷工况下桨叶间的流动分离是造成环状涡急剧变形和分离的重要原因.