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.     

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。     

水下潜器导管螺旋桨在转艏摆动中的推力特性分析

采用多重滑移网格技术和计算流体力学(CFD)方法对作为水下潜器主要控制机构的导管螺旋桨在水下潜器各子系统流场影响下作转艏摆动时的推进特性进行数值模拟,研究了潜器组合体流场对导管螺旋桨所发出的推力的影响,对水下潜器系统中导管螺旋桨在其转艏摆动中的所发出的推力的规律进行了总结,并分析了水下潜器组合体与导管螺旋桨的水动力相互影响因素.计算结果表明:水下潜器组合体流场对导管螺旋桨的推进特性有不可忽略的影响,其中导管螺旋桨前端的鱼雷状浮体是影响其推进特性的主要因素,在其水动力相互影响区域长度范围内,浮体与螺旋桨之间轴向距离越小,螺旋桨所发出的推进力越大;鱼雷状浮体对导管螺旋桨推进特性的影响主要是通过改变螺旋桨盘面处的进速来体现.在研究水下潜器系统中导管螺旋桨推进力特性时,只有将潜器组合体与所研究的导管螺旋桨组合成为一个整体、同时将这样一个组合整体结合到水下潜器系统具体的运转环境来进行计算才能得到一种符合工程实际的结果.     

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.     

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.     

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.     

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.     

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.     

回转状态下导管螺旋桨水动力特性的数值模拟

采用滑移网格技术和计算流体力学方法,在导管螺旋桨所在的流域内求解其N-S方程,以此模拟在作回转运动的水下机器人流场作用下导管螺旋桨的推力特性,观察螺旋桨在这一环境下的水动力现象.计算结果表明:当来流从尾部流向机器人时,对于尾导管螺旋桨,有机器人影响时其推力系数比无机器人时要小,对处于机器人舷侧的螺旋桨,有机器人时其推力系数比无机器人时要大;当来流从首部流向机器人时其情形刚好相反;而当机器人轴线与流向大致垂直时,有无机器人对螺旋桨推力系数的影响不大.     

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．     

螺旋桨粘流水动力特性数值模拟

采用人工伪压缩方法对常规螺旋桨粘流问题进行了数值模拟,获得了螺旋桨推力系数、扭矩系数等水动力性能参数.以DTMBP4119螺旋桨为例,对其计算结果的网格依赖性和湍流模型的适应性问题进行了数值分析.与试验结果对比,计算结果吻合度好,表明数值方法正确,程序准确、可靠,能够对常规螺旋桨进行有效地理论研究、数值预报.     

泵喷推进器空化特性数值分析

利用基于Rayleigh-Plesset方程均质多相模型和滑移网格技术,对某泵喷推进器进行了三维全通道定常湍流计算,得到了其在空化条件下的性能特征.分析了转速、空泡数和进流速度对泵喷推进器的空化特性的影响.计算结果表明,泵喷推进器叶片发生空化时,推进器的推力和转矩明显下降,进而引起敞水效率的降低且降低幅度达15%以上;同一空化数下,随着转速的增加,泵喷推进器叶片的空化现象趋于明显;同一转速下,空化数越小,空化现象越显著,当空化数大于某一个特定值时,叶片的空化现象消失.     

螺旋桨滑流对机翼气动特性影响数值模拟方法研究

主要工作是螺旋桨滑流对机翼气动特性影响的非定常流体力学计算方法研究。几何模型借鉴国外某太阳能无人机,建立单螺旋桨计算模型,采用两叶螺旋桨。用ICEM网格软件生成具有两个计算域的高质量非结构数值计算网格,应用多参考系和滑移网格边界条件,对模型在低速情况下进行数值模拟。分析螺旋桨滑流的发展和机翼在滑流作用下的非定常气动特性,对比分析螺旋桨不同转速下滑流对机翼影响大小,计算结果表明本文采用的数值模拟方法能有效地应用于机翼在螺旋桨滑流作用下的流场求解,可以为工程应用提供重要的参考。     

双桨船螺旋桨空泡脉动压力的试验及数值研究

为研究高速双桨船螺旋桨空泡状态下的脉动压力特性,在深水拖曳水池中开展了螺旋桨敞水试验,在大型循环水槽中使用完整船模开展了螺旋桨船后水动力性能、脉动压力测量和空泡观测试验.试验结果表明,脉动压力的最大幅值随螺旋桨转速的增加而增大,不稳定片空泡会导致脉动压力高阶分量增加;随着空泡的发展,脉动压力幅值最大位置逐渐向船体内侧移动,螺旋桨达到一定转速后,其脉动压力分布基本保持不变.采用剪切应力输运(SST)k-ω模型及流体体积(VOF)方法,建立了螺旋桨脉动压力和空泡的计算流体动力学(CFD)数值计算方法,并通过计算与试验结果的对比发现,该方法的计算结果在无空泡和高转速工况下与试验结果吻合较好.由于不能很好地对不稳定片空泡进行模拟,在其出现时脉动压力计算值偏大.计算值的衰减和试验中两桨的相位差导致靠近船体内侧的监测点脉动压力误差较大.     

变攻角圆盘空化器生成自然超空泡数值模拟

基于结构化网格,运用N-S方程及k-ε湍流模型对均质流场求解,引入Rayleigh-Plesset方程模拟超空泡问题.对三维圆盘空化器在不同空化数情况下进行超空化流动数值模拟.将三维无攻角圆盘空化器的仿真结果与经验公式进行对比,二者具有良好的一致性.并且解决了带攻角圆盘空化器生成超空泡的数值模拟问题,详细分析了不同攻角圆盘空化器生成自然超空泡的形态特征以及升阻力特性.     

基于Kunz模型的离心泵空化流数值计算

将常用于水翼、螺旋桨等的空化模型应用于离心泵空化流数值计算,以比转速为94的离心泵为研究对象,在不同流量系数下,分别进行了空化性能的数值计算和试验研究.比较了计算和试验得到的空化性能曲线,发现各流量系数下模拟均能捕捉到较低空化数时扬程系数的下降,而且与试验结果较为一致.此外,还对设计工况下叶轮流道空泡和总压系数分布规律以及叶片压力系数分布规律进行了分析.对数值预测结果的分析表明：使用Kunz空化模型进行离心泵空化流数值计算能够较为真实地反映离心泵的空化性能.     

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。     

云状空化流动数值模拟的空化模型评价

为深入了解空化模型对云状空化流动计算的影响,分别采用Kubota,Singhal,Merkle,Kunz四种不同的空化模型对绕水翼的云状空化流动进行了数值模拟,获得了空穴形态和升、阻力等流场动力随时间的变化特性. 通过与实验结果的对比表明,这四种空化模型均可以准确地捕捉云状空化区域的空穴形态和空泡脱落的非定常细节;不同空化模型对计算所得的空穴形态和长度、绕翼型速度矢量场、升阻力均有影响, 但对流场动力特性的主要频谱分布影响不大.     

新型舵防腐蚀电极空化性能的数值计算及试验

采用结构化网格和SA-DES湍流模型,并考虑空泡水洞壁面效应,对舵防腐蚀电极的空化性能进行计算.对舵防腐蚀电极原结构的空化特性进行分析,总结空化发生机理,在此基础上提出一种新型船舵防腐蚀电极安装结构,并开展了模型舵空泡计算、模型舵空泡观测试验及实船舵空泡观测试验等一系列对比研究.结果表明:舵防腐蚀电极在较低航速下即先于舵下端面和舵面发生空化,影响了其防腐蚀效果和使用寿命;该船舵防腐蚀电极安装结构在模型尺度下的空化起始航速可提高8 kn以上,有效解决原防腐蚀电极的空化问题.     

水平轴潮流能水轮机空化特性研究

采用CFD(计算流体力学)数值模拟的方法,对水平轴潮流能水轮机的空化特性进行研究.重点讨论叶片空化的特性和对水轮机水动力性能的影响,得出不同空化数下叶片空化程度和位置及对水动力性能的损耗.在相同空化数下,分别研究来流速度及叶轮旋转角速度对叶片空化情况的影响,得出不同工况下叶片的空化区域,针对空化区域的不同研究水动力性能的降低程度.结果表明:叶片的空化程度及区域不仅和空化数有关,还受到叶尖速比的影响;空化的发生并不一定会严重影响水轮机的水动力性能,空化对水动力性能的影响关键在于空化发生的区域,只有当空化数低于一定数值,叶片中段发生空化时,才会大幅影响水动力性能.