螺旋桨性能计算的B样条网格面元法研究

螺旋桨水动力性能的准确预报对避免不良设计所带来振动和噪声,改善螺旋桨性能有着重要的意义.应用低阶速度势面元法建立了预报船舶螺旋桨水动力性能的数值方法,重点对桨叶随边和尾涡面进行研究.鉴于传统网格划分方法的不足,根据螺旋桨表面流场特性,采用B样条网格划分方法对桨叶表面单元进行剖分.文中对原有的等压库塔条件形式进行了改进,在考虑横流影响的前提下,满足随边荷载为零的条件.对计算结果与试验结果进行比较分析,表明将基于B样条的网格划分方法应用于已有的面元法程序中,能够很好地改善计算结果的精度.     

船舶螺旋桨流固耦合稳态求解算法

为了研究复合材料变形特性对螺旋桨水动力性能的影响,运用计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺时均纳维斯托克斯(PANS)方程和3种湍流模型,计算了螺旋桨的敞水性能并将其和试验结果进行了对比,两者吻合较好,验证了流体计算的准确性.推导了变形后的螺旋桨纵倾、侧斜、叶切面螺距以及拱度等几何参数,并将CFD软件计算和有限元求解耦合起来,即首先利用流体计算软件计算桨叶压力载荷,再将流体载荷通过插值技术传递给有限元,计算出螺旋桨的变形,然后再将变形后的桨叶几何输入流体计算软件,反复迭代,直至结果收敛的过程,实现了螺旋桨稳态性能求解的流固耦合算法.该算法可以计算螺旋桨在不同转速和进速下的应力分布和变形,能够求解螺旋桨变形后的压力分布和水动力性能,适用于复合材料螺旋桨的设计.     

弦向变形相位角对柔性尾鳍影响的水动力研究

以仿生推进系统在海洋开发中的广阔应用为背景,以研究柔性尾鳍水动力性能为目的,探讨了弦向变形相位角对柔性尾鳍推进性能的影响.分别采用非定常面元法和求解RANS方程的方法,计算了摆动仿金枪鱼柔性尾鳍在不同弦向变形相位角下的水动力性能,并同水动力试验结果进行比较.计算结果显示弦向变形相位角对柔性尾鳍水动力系数幅值、相位和尾涡...     

舵球几何参数对螺旋桨水动力性能的影响

为研究舵球几何参数对螺旋桨水动力性能的影响,用面元法计算了螺旋桨-舵-舵球系统的推进性能。采用双曲面元以消除面元间隙,对舵球网格进行加密,螺旋桨弦向和展向采用余弦划分方式。用迭代计算考虑螺旋桨与舵及舵球之间的相互干扰,螺旋桨与舵之间的诱导速度在面元处进行周向平均,将非定常问题转化为定常问题。首先用该程序计算了桨舵系统水动力性能,计算结果与试验值吻合良好。然后对舵球几何参数进行了变尺度计算,结果表明,舵球直径与螺旋桨直径存在最佳匹配值,使得螺旋桨效率最大;舵球长度存在临界值,当舵球长度小于临界值时螺旋桨节能效果增加显著。     

全方向推进器主要参数对其水动力性能的影响

为优化全方向推进器的模型设计,采用面元法分析全方向推进器主要参数的变化对非定常水动力性能的影响.基于螺旋桨面元法理论建立了全方向推进器的非定常水动力性能计算的数学模型,进行了数值预报,采用关于扰动速度势的基本积分微分方程,以双曲面元消除面元间的缝隙,在桨叶随边满足压力Kutta条件.应用Morino解析公式计算面元的影响系数,用Yanagizawa方法求得物体表面上的速度分布.分析了全方向推进器主要参数对水动力性能的影响.计算结果表明,周期螺距角的值对全方向推进器的非定常水动力性能起决定性作用.该文的计算结果可以作为下一步试验研究的基础.     

面元法计算桨后舵附推力鳍水动力性能

为了提高船舶的推进性能,达到节能的目的,采用升力面法和基于速度势的面元法分别计算螺旋桨与舵附推力鳍的水动力性能,对影响推力鳍助推性能的几个主要参数进行了变尺度研究.采用双曲面元以消除面元间的缝隙,采用迭代计算来处理螺旋桨与舵附推力鳍的相互干扰.计算了在舵附推力鳍影响下螺旋桨尾流场周向诱导速度沿径向的分布.从理论上说明了推力鳍的助推节能原理,分析了加装舵附推力鳍之后螺旋桨水动力性能的变化.计算结果表明,舵附推力鳍可以吸收螺旋桨尾流场的部分旋转能量产生附加推力,其助推效率可达3%～4%.     

船后桨的布局对螺旋桨水动力性能的影响

为了研究大型水面船舶船桨干扰作用对螺旋桨的水动力性能的影响,探讨船后螺旋桨的布置设计原则,以某大型四桨水面船舶为研究对象,基于RANS( Reynolds-averaged Navier-Stokes)方法,建立了船桨整体计算模型,重点研究了螺旋桨的相对纵向和横向布置位置的变化对螺旋桨水动力性能的影响.数值计算结果表明:对于四桨船舶,船后螺旋桨的水动力性能对螺旋桨的纵向位置移动不是很敏感,而对螺旋桨横向位置移动则比较敏感,应当尽量避免使同侧两螺旋桨的盘面中心横向距离小于1倍螺旋桨直径.     

复合材料船用螺旋桨设计与CFD/FEM计算

将基于RANS方程的计算流体力学方法与有限元方法相结合,沿着螺旋桨水动力性能计算、复合材料螺旋桨建模及结构铺层设计、CFD/FEM载荷传递、复合材料螺旋桨结构力学性能计算,水动力性能收敛判定的设计分析流程,完成了某种螺旋桨桨叶的初步的设计过程.提出一种预变形策略以改进复合材料螺旋桨的综合性能.计算结果表明,该复合材料螺旋桨能够满足预定设计指标的要求,在达到传统金属螺旋桨水动力性能要求的同时,减重30%,运行效率增加.研究结果充分说明了所采用设计方法的可行性.     

附鳍吊舱推进器的水动力性能分析

为了分析鳍对吊舱推进器水动力性能的影响,用基于速度势的低阶面元法预报附鳍吊舱推进器的定常水动力性能.螺旋桨和吊舱及鳍之间的相互影响通过迭代计算来处理,螺旋桨的诱导速度及吊舱和鳍的诱导速度均进行周向平均.采用关于扰动速度势的基本积分微分方程,并采用双曲面形状的面元以消除面元间的缝隙.Newton-Raphson迭代过程被用来在桨叶随边满足压力Kutta条件.用柳泽(Yanagizawa)方法求得物体表面的速度分布.计算了无鳍、单鳍和双鳍拖式吊舱推进器的水动力性能.计算结果表明,鳍可以回收螺旋桨尾流的旋转能量,使附鳍吊舱推进器的水动力性能提高,双鳍时效率最高,单鳍次之,无鳍最低.     

考虑侧斜及纵倾情况下的船舶螺旋桨最佳环量分布计算

为了获知纵倾及侧斜对螺旋桨最佳环量分布的影响,采用升力线旋涡模型进行了计算分析.把集中的附着涡放置在桨叶的中线即弦长中点处,以计及桨叶侧斜和纵倾的影响,如果桨叶没有侧斜和纵倾,则升力线仍为径向线,否则升力线为一空间曲线.通过对计算结果的对比分析得出:增加纵倾分布可以增大推力系数;侧斜分布对轴向诱导速度的影响与切向诱导速度的影响相反;随着侧斜角的增加,内半径区内的水动力螺距角呈现增大的趋势,而在外半径区的水动力螺距角则呈现减小的趋势.     

非均匀来流中全方向推进器非定常水动力性能的研究

为进行安装全方向推进器的潜器运动仿真,研究了非均匀来流中全方向推进器水动力性能的面元预报方法,预报了不同轴向非均匀来流情况下全方向推进器水动力性能.基于螺旋桨面元法理论建立了非均匀来流中全方向推进器水动力性能计算的数学模型,对非均匀来流中全方向推进器的非定常水动力性能进行了数值预报.采用了关于扰动速度势的基本积分微分方程;并且采用双曲面元以消除面元间的缝隙,在桨叶随边满足压力库塔条件.在计算面元的影响系数时,应用了Morino导出的解析公式.为避免数值求导中的奇异性,用Yanagizawa方法求得物体表面上的速度分布.预报了非均匀来流中全方向推进器的非定常水动力性能,并与均匀来流中全方向推进器的非定常水动力性能作了对比.计算结果表明在某些轴向非均匀来流情况下,全方向推进器水动力性能要好于轴向均匀来流时的水动力性能.     

拖式吊舱推进器敞水性能研究

根据势流理论,基于面元法建立了一种数值方法,用以研究吊舱推进器的水动力性能.首先建立舱体和螺旋桨表面的积分方程,在舱体和螺旋桨表面布置面元,将积分方程离散为以面元上偶极子强度为未知量的矩阵,用高斯方法求解该矩阵,得到面元上扰动速度势,根据柳泽方法求解舱体和螺旋桨表面的切向速度,进而算出舱体和螺旋桨表面面元上的压力,对压力进行积分后即可分别得到螺旋桨和舱体的受力.舱体和螺旋桨之间的相互干扰通过迭代计算来处理,研究了该方法的收敛过程并给出了舱体对螺旋桨的影响.结果表明,舱体引起的伴流会增大螺旋桨的载荷.     

导管桨内部流场的数值计算

为研究导管螺旋桨的内流场特征,用面元法计算了导管桨中螺旋桨和导管的诱导速度.导管上采用余弦布置轴向面元、均匀布置周向面元;螺旋桨叶片上径向和弦向均采用余弦布置方法.由于导管和螺旋桨之间存在相互干扰,在研究中采用了迭代计算方法.当迭代计算结果收敛后,可以求出导管及螺旋桨表面的速度势和源汇强度,进而根据蒙瑞诺解析公式计算导管桨的内部流场.在研究导管桨内部流场的过程中,计算了导管桨的水动力性能.对桨前后不同位置导管桨的内部流场进行分析,并将其和敞水情况作了比较.计算结果表明,导管的存在使得螺旋桨的诱导流场变小,螺旋桨的存在使得导管的诱导流场变大.     

桨后扭曲舵的理论设计及水动力性能计算

采用面元法计算了螺旋桨与舵之间相互干扰的水动力性能并在此基础上设计出扭曲舵,采用迭代处理计算了螺旋桨与桨后扭曲舵相互干扰的定常水动力性能.在计算面元的影响系数时,应用了Morino导出的解析计算公式,以加快数值的计算速度.分析比较了不同进数系数时,普通舵与扭曲舵的助推效率.对于两者在不同进数系数下的操舵力矩进行了比较,与普通舵相比扭曲舵并未使船舶的操舵力矩恶化.计算结果表明,该设计的扭曲舵与普通舵相比可以产生附加推力,能够吸收螺旋桨的尾流动能起到助推节能的作用,最大助推效率可以达到3%.     

导管桨水动力特性的数值研究

为了研究导管桨的推力、转矩和效率等关键水动力参数与进速系数之间的关系,本文采用计算流体力学技术(computational fluid dynamics,CFD)分析导管对螺旋桨水动力特性的影响。在建立导管桨的计算模型时,采用了全结构化网格技术,螺旋桨和导管之间的相对运动通过运动参考系(moving reference frame,MRF)方法实现。本文以JD7704+Ka4-55导管桨为例,分析其定常水动力性能,用试验结果对数值计算结果进行了初步验证,进而研究了不同导管长度和叶稍间距时导管桨的水动力特性,并探讨了斜流对导管桨推力、转矩和效率的影响。结果表明:导管桨在低进速下由导管所产生的推力会有较大提升,导管的存在能够显著减小斜流中螺旋桨推力和转矩的脉动。     

船后吊舱推进器的水动力性能研究

为了分析船体形状对吊舱推进器的影响,研究了船后伴流中吊舱推进器的水动力性能.船后伴流用计算流体力学方法进行分析,吊舱推进器的水动力性能用面元法研究,吊舱和螺旋桨的相互影响用迭代方法求解,用蒙瑞诺解析公式计算螺旋桨和吊舱之间的诱导速度,结合船尾伴流的计算结果分析船尾伴流中吊舱推进器的水动力性能,并对船后不同位置吊舱推进器的水动力性能进行了比较.研究认为,船尾伴流会降低吊舱推进器的效率,吊舱推进器距离船体越远,效率越高.     

一体化推进器多特性平衡设计及试验验证

为分析一体化推进器的推进及空泡性能,基于多特性平衡设计思想,采用势流理论面元法建立了一体化推进器设计方法。对不同舵球直径时的桨舵推进系统水动力性能进行了仿真分析,确定了舵球直径对推进性能的影响规律。以舵阻力及压力系数最小为设计目标,采用速度场的迭代计算考虑桨舵之间的相互干扰,开展了舵不同展向剖面的扭曲设计。模型试验结果表明:建立的一体化推进器多特性平衡设计方法是有效的,桨舵一体化推进器可减小舵的阻力,增加螺旋桨的推力,提高桨舵推进系统效率,并显著改善舵的空泡性能。     

桨后舵片空化的面元法数值计算方法

舵空化不仅会对舵叶产生剥蚀作用,而且还会引起船体艉部振动和噪声增大,针对舵的空化问题,建立了桨后舵片空泡的面元法数值计算方法。通过面元法对螺旋桨的水动力性能计算得到了螺旋桨表面及尾流面的奇点强度,进而得到螺旋桨的尾流场,以此作为舵的来流输入条件,再通过基于速度势的面元法对舵上的片空泡进行计算,最终得到舵片泡的范围和厚度分布。通过该方法,研究了某型船的桨后舵在各航速各舵角的片空化形状,分析了各舵角时舵的空化起始航速,形成了舵空泡的快速计算方法,该方法可以在舰船设计阶段对舵的空泡性能进行评估,为舵的优化设计提供技术支撑。     

考虑变形耦合的一维大变形固结分析

给出了考虑地下水浸没作用、大变形效应等因素影响的饱和土体一维固结理论，并提出了相应的沉降计算的一种改进方法。通过建立按应力定义和按应变定义的固结度之间的解析关系，可以分析固结过程中孔避开水压力消散与变形的耦合作用，采用有限差分法进行固结方程的求解，并讨论了上述因素以及土体压缩性、土层厚度和堆载压力等对固结特性的影响。通过与传统太沙基固结理论的比较，表明考虑地下水浸没和大变形效应对低路堤的变形发展有着显著的影响，而对孔隙水压力的消散速率影响不大。     

推进叶轮的水动力性能数值模拟与变参数分析

为了研究运转工况和几何参数对叶轮水动力性能的影响,本文建立了有限流域内叶轮水动力性能的计算方法,开展了大型循环水槽驱动叶轮的水动力分析.基于面元法建立数值计算方法,在循环水槽壁面上以反余弦方式布置轴向面元,并均匀布置周向面元;在叶轮叶片上径向和弦向均采用余弦方式布置面元,计算过程中用压力库塔条件进行迭代至收敛.结果表明...