基于FLUENT的螺旋桨水动力性能研究

船舶性能CFD计算领域有必要尽快形成螺旋桨敞水性能CFD计算的快速预报能力,应用FLUENT软件对螺旋桨在粘性流场中的敞水性能进行计算研究.采用RNGk-ε模型,对敞水螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数进行模拟,对桨叶的叶背和叶面的表面压力分布进行了分析,给出了敞水性能曲线的计算结果,并与经典巴布米尔图谱的相关曲线进行对比,对此桨的性能情况进行了一些数值计算的考察,结果表明螺旋桨尾流场的模拟值与经验值基本符合,满足工程应用的精度要求;对螺旋桨的设计有一定的参考价值.     

实尺度导管螺旋桨的敞水性能数值模拟

为了避免尺度效应带来的影响,借助于计算流体力学软件,采用结构化网格和非结构化网格相结合的计算方法,进行了实尺度导管螺旋桨的敞水性能数值模拟,计算结果能够满足实尺度导管螺旋桨敞水性能预报的工程精度要求,与试验结果进行对比,最大误差在7%以内。通过对5组不同交界面的位置进行比较,得出了交界面位置对导管螺旋桨的水动力计算具有较大影响的结论。     

静水环境船模自航试验数值模拟分析

船舶在静水环境中的快速性研究需要对主船体静水阻力、螺旋桨敞水特性、船体航行姿态等进行综合分析，船模自航试验是研究船舶快速性的重要手段。基于计算流体力学（CFD）方法，对船舶自航试验开展数值模拟与分析，采用体积力模型计算了某螺旋桨敞水特性曲线，计算了某船模型在静水中的自航性能。通过数值模拟，得到了螺旋桨推力系数、螺旋桨扭矩系数等自航参数以及船体阻力、姿态等，分析了船体模型在不同航行状态下的船体快速性。     

半浸式螺旋桨水动力性能的数值模拟研究

针对半浸式螺旋桨的水动力性能问题,应用CFD方法对其流场进行了数值模拟研究,并把结果与实验进行比较。通过求解雷诺平均方程(RANS)来模拟流场,采用SST k-ω湍流模型来计算RANS方程中的雷诺应力。利用Fluent中的明渠流动(Open Channel Flow)功能模拟空泡水筒中的气液两相流动,采用VOF方法捕捉自由液面。应用滑移网格法完成搅拌桨的转动,实现了对一个五叶右旋半浸式螺旋桨的数值模拟。研究结果表明,桨的尾流场形态与实验结果吻合地较好,证明了CFD方法预测半浸式螺旋桨性能的有效性。在较低浸入深度时,数值模拟可以很好地预测半浸式螺旋桨的性能。随着浸入深度的增加,推力系数和效率的预测结果基本准确,扭矩系数的预测结果有一定偏差。从数值计算结果中,可以获得宏观力的脉动曲线和完全入水桨叶的压力分布,并且可以对桨叶出水和入水过程进行详细的研究。     

基于CFD的螺旋桨敞水性能数值分析与验证

根据螺旋桨的投影原理及其型值参数,建立螺旋桨的三维模型。运用计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)理论,采用分区混合网格方案,结合雷诺时均纳维斯托克斯(Reynolds-averagednavier-stokes,RANS)方程和三种不同的湍流模型对螺旋桨三维粘性流动进行数值模拟。所采用的网格划分方法具有网格数量少、质量高的特点。计算结果得到螺旋桨的推力系数、转矩系数以及尾流场的速度、压力分布等水动力特性参数,预报值与试验数据吻合较好,验证了数值方法的正确性,且说明雷诺应力模型(Reynolds stress model,RSM)这种湍流模型更适合螺旋桨粘性流场的数值计算,具有较高的预报精度,为复杂旋转机械粘性流场计算中湍流模式的选取提供参考意见。通过对螺旋桨敞水性能的分析,得到螺旋桨粘性流动所特有的流动分离、梢涡的形成与结构以及尾流场等一些重要现象和特征,为螺旋桨噪声、振动的研究和新型高效推进器的设计提供理论指导和技术支持。     

CFD在"机电一体化"导管桨性能分析及优化设计中的应用

将计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)应用于机电一体化导管桨水动力性能分析和优化设计的全过程。对某后置定子式导管推进器敞水性能进行计算,在大范围进速系数下计算推力系数和力矩系数均与试验值吻合良好,检验计算方法的有效性。对初始设计导管桨水动力性能采用同样的方法进行计算,包括从流体力学的角度计算确定导管的主要尺寸,并结合网格类型和网格密度的影响分析了计算结果的有效性,分析设计工况下未缠绕线圈的环对间隙流场特征和导管、桨以及整体水动力性能的影响,提出将环变短变厚及相应改变叶片型值的改进设计思路,以改善间隙流动,提高敞水效率。对再设计导管桨设计工况和非设计工况性能进行计算,将环表面压力分布和导管桨推进性能与初始桨进行了比较,并利用水动力试验值再次检验了计算结果。结果表明:两次利用试验值校验计算值均吻合良好,说明将CFD用于导管推进器初始设计和分析是有效的。间隙径向距离大,间隙内泄压和局部滞止流动区域范围也大;环轴向距离长,环两端的间隙内流动旋涡程度也大。环的存在对导管桨导管产生推力是有利的,但对叶片产生推力是不利的,使导管桨敞水效率降低。再设计导管桨桨的推力系数比初始设计导...     

CFD在舷外机螺旋桨性能分析中的应用研究

基于CFD软件,采用结构化网格和非结构化网格相结合的混合网格,对舷外机螺旋桨水动力性能进行了计算。数值计算结果与模型试验结果吻合良好,验证了数值计算的可行性。分析了舷外机支架对螺旋桨水动力性能的影响。     

环驱式集成电机推进器定常水动力性能CFD分析

为了提高水下航行器性能,文中利用商用CFD软件ANSYSCFX对某环驱式集成电机推进器水动力性能进行分析,基于SSTk-ω湍流模型,建立了包括控制方程、计算域、网格生成、边界条件在内的集成电机推进器三维流场数学模型。给出环驱式集成电机推进器敞水特性规律,计算结果显示进速系数为0.9时,敞水效率可以到达58.32%。     

自重构螺旋桨的机构设计及其水动力性能分析

针对目前普通螺旋桨推进效率偏低等问题,突破传统螺旋桨的设计理念,提出并设计一种新型的自重构螺旋桨,其桨叶能够根据划水的需要自动开闭。对所设计的自重构螺旋桨的结构进行综合分析,通过螺旋桨浆叶构态的分析,给出三种变形构态。假设螺旋桨在理想流体中匀速旋转,运用流体力学理论经过进一步推导得到桨叶运动轨迹,对自重构螺旋桨机构进行运动分析。根据新型螺旋桨系统的结构特点和工作原理,基于升力线理论和叶元体理论对其诱导速度、推力和转矩分别进行研究,建立自重构螺旋桨的水动力性能理论分析模型,并进行数值仿真。计算自重构螺旋桨的效率,与传统船舶用螺旋桨的敞水性能进行对比研究,研究结果证明了新型的自重构螺旋桨的优越性。     

涡轮螺旋桨动力飞机桨发匹配性能仿真研究

基于螺旋桨片条理论和航空发动机热力循环原理分别建立了螺旋桨性能和涡桨发动机性能仿真模型。在此基础上,基于飞行器需用推力建立了螺旋桨巡航阶段桨发匹配优化模型,提出了一种计算某一匹配推力系数下螺旋桨效率和进距比关系曲线的方法,并设计了桨发匹配优化方案。针对某型涡桨动力飞机,开展了巡航剖面桨发匹配优化。结果表明:相比于原来的巡航剖面,优化后的巡航剖面飞机巡航航程提高了13%,显著地提升了巡航性能。     

基于设计公差约束的螺旋桨配准问题

针对螺旋桨加工过程中叶面和叶背加工余量分布不均匀的问题,提出了一种公差约束条件下螺旋桨毛坯与设计曲面快速配准的方法,用以保证螺旋桨叶面和叶背加工余量均匀。在螺旋桨设计过程中,分析了半径、纵斜、轴向位置和桨叶夹角对设计曲面空间位置的影响,确定了基于设计公差变动范围的螺旋桨形貌变化约束条件。建立了约束条件下螺旋桨曲面配准数学模型,并基于模拟退火算法快速求解得到全局最优解。螺旋桨毛坯曲面与设计曲面的匹配验证结果表明,该算法能实现螺旋桨毛坯曲面和设计曲面的快速匹配。     

形状记忆合金丝驱动仿生波动鳍推进器设计与实验研究

研究了一种形状记忆合金（SMA）丝驱动的仿生波动鳍推进器。在分析墨鱼鳍肌肉结构和运动机制的基础上,建立了鳍波动运动学模型,研制了基于SMA丝驱动柔性鳍单元的仿生波动鳍推进器,并进行了试验研究。结果表明,仿生推进器能实现与墨鱼鳍相似的柔性运动,波幅和推进力随SMA丝的驱动脉冲宽度的增加而增大,鳍波动推进力呈周期性变化,瞬时推力在驱动脉冲宽度80 ms时达到最大值180mN。     

Geometric modeling and tool path generation of model propellers with a single setup change

A model propeller plays important roles in the design of the marine vehicles. The cavitations, the erosion, the pressure fluctuation, and the flow are measured by the model propeller. These measurements help to create the actual marine propeller. In this paper, geometry modeling and tool path generation for a model propeller are proposed, and the hub surface and lateral surface of the wing surfaces are generated by the proposed method. Considering the characteristics of the model propeller, efficient Cutter Location (CL) data are proposed: (1) the finish machining is completed with one setup posture. (2) A four-axis machining algorithm is proposed that makes it possible to the propeller with one setup and that minimizes machining error. (3) To minimize the maximum machining load, zigzag machining and an outside-to-inside tool path are introduced. A tilting guide curve is proposed to determine the tool axis vector. A smoothly changing tool axis vector is obtained through this curve, and the calculation is simple and fast. The results demonstrate that the proposed method is useful for the manufacturing of model propellers.     

改进空化模型和修正湍流模型在螺旋桨空化模拟中的评估分析

为评估改进Sauer空化模型和修正切应力输运湍流模型联合使用时在螺旋桨空化模拟中的效果,以及"当σ>σi时,叶梢截面压力系数分布相对不再改变"的空化初生判定准则的适用性,以E779A螺旋桨为对象,对轻度(Ac/A0<0.1)、中度(0.1≤Ac/A0<0.25)和重度(0.25≤Ac/A0<0.5)空化程度下的桨叶空化形态、空化面积、叶截面压力系数分布、推力和力矩崩溃性能曲线以及初生空化数进行校验和分析。结果表明,在轻度空化下模拟空化面积较试验值略小;中度空化下与试验值吻合很好,模拟精度明显高于同类文献;在重度空化下因包含了泡空化面积而较试验值要大。在设计和非设计进速系数下,预报因空化引起的推力下降起始点均与试验值吻合很好,但推力衰减指数较试验值要大。应用空化初生判定准则得到J=0.77工况下初生空化数为3.25,较试验值仅偏差0.6%。由此表明,所采用的数值模型对于螺旋桨轻度和中度空化程度下的空化性能模拟具有较高的精度,所提出的空化初生判定准则是可信而且适用的。应用该准则,在求取0.88R(低侧斜桨)或0.7R(大侧斜桨)截面的初生空化数后,可较准确地预报螺旋桨空化斗图谱,进而预报舰艇空化初始航速。     

Unsteady cavitation characteristics and alleviation of pressure fluctuations around marine propellers with different skew angles

Cavitating flow around two marine propellers with different skew angles, a conventional propeller (CP) and a highly skewed propeller (HSP), operating in the non-uniform wake was simulated using a mass transfer cavitation model and the k-omega SST turbulence model. The numerical model reasonably predicted experimental data for the unsteady cavitation patterns as well as the oscillation amplitudes of the dominant pressure components. The results indicate that the effect of skew angle is very important on the cavitation characteristics as well as the pressure fluctuations and that the amplitudes of pressure fluctuations for the HSP are 50～70% less than that for the CP. Therefore, the skewed propeller will reduce noise and vibration compared to the conventional propeller. Furthermore, the numerical model verified the relation between the hull pressures and changing cavitation patterns as the blades sweep through the high wake region. The results demonstrate that volumetric acceleration of entire cavity around a propeller blade is the main reason for the pressure fluctuations, which agrees with previous experiments.     

基于泄漏通道的可调距桨桨毂密封性能分析与实验研究

可调距桨在服役时,桨毂密封是通过O形密封圈实现,研究桨毂密封可控泄漏对于指导装配工艺设计和延长服役寿命非常重要。基于O形密封微观接触和泄漏通道模型,推导泄漏率公式,利用ABAQUS软件对可调距桨桨毂密封进行三维有限元仿真,分析不同参数对桨毂密封性能的影响规律,并给出相应工艺设计指导,并基于改进复合灰色关联度对参数影响程度进行排序。结果表明:粗糙度、压缩率、橡胶硬度和介质压力对密封性能均有影响,泄漏率随粗糙度的增加瞬间增大,随压缩率的增大而减小,随硬度的增大而增大,随介质压力的增加先增后减;硬度对最大Von Mises应力和接触压力影响最大,其次是压缩率,而介质压力对密封泄漏率的影响最大,粗糙度次之。通过实验验证模型和仿真结果的准确性,为可调距桨桨毂密封设计和安装提供了支撑。     

双向液压式调速器系统数学建模与仿真

螺旋桨飞机飞行时,调速器系统对飞机飞行的稳定性及发动机安全性起着关键作用。针对双向液压式调速器系统,通过数学建模和仿真方法研究该调速器系统的动态特性。以某双向液压式调速器系统为研究对象,分析其结构组成和工作原理,根据牛顿第二定律和流体连续方程分别建立了该调速器系统的力-运动数学模型和流量数学模型,并对数学模型中所有力的产生原因和求解方式进行了分析和求解。通过结合数学模型和仿真软件,分别对调速器控制活门和整个调速器系统进行了仿真,重点分析了无反馈的控制活门的实际运动过程和带反馈的整个调速器系统的发动机转速变化及螺旋桨角度变化,得到了控制活门的振动曲线和螺旋桨角度变化曲线。     

MATLAB优化工具箱在机械优化设计中的应用

基于优化设计理论,建立了以人字架机构的质量最小为目标函数的优化数学模型。应用MATLAB优化工具箱,对人字架机构优化实例进行求解。通过对优化结果的研究和分析,表明优化编程简单,设计效率高。说明了应用MATLAB优化工具箱中的fmincon函数求解约束非线性优化问题的思路和方法,并给出了人字架机构的目标函数图形、约束函数图形以及MATLAB求优的具体步骤。     

Numerical calculation of the viscous flow around a rotating marine propeller

Reliable and accurate prediction of the viscous flow around a marine propeller operating at the stern is of practical importance for design and performance prediction of propellers. A computer code was developed in the present study for the full viscous flow simulation around the marine propeller at the stern and its performance was investigated using the available data. The continuity and Navier-Stokes equations with a standardk-ε model in the rotating coordinate fixed on the propeller were numerically solved using FVM. The predicted profiles of circumferentially averaged velocity and turbulent kinetic energy were in accordance with the measured data at the downstream of the propeller, while there were significant discrepancies in the near wake. The value of velocity was small in a core associated with the formation of the tip vortex and the location of maximum axial velocity on the suction side of the blade was observed in the simulation. The flow structure observed in the experiment was confirmed in the simulation, however not quantitatively. The blade wake was diffused more in comparison with the measured one.