空泡螺旋桨诱导的双桨船脉动压力数值预报

为研究双桨船脉动压力的特点与计算方法.建立了一套双桨诱导的船体脉动压力的预报方法.方法可计入空泡的影响,并考虑左右螺旋桨之间的相位差对脉动压力计算的影响,形成船体脉动压力的分布云图,通过云图可以很好地分析脉动压力的变化规律.对计算结果与试验结果的误差进行了分析,结果证明,同时考虑双桨作用与只考虑单桨作用的计算结果有所不同,同时考虑双桨作用时,相位差的影响不能忽略,不同的相位差得到的计算结果有明显差别,越靠近船体内侧,相位差引起的幅值变化越大.相位差的影响还同双桨的距离有关系,距离越近相位差的影响越显著,随着双桨距离加大,相位差的影响减小.这可以部分解释脉动压力模型实验和实船测试中的一些现象,同时也提醒试验人员在进行双桨船脉动压力试验时,要注意双桨相位差的影响.     

非空泡螺旋桨低频线谱噪声时域预报方法

针对非空泡螺旋桨的低频线谱噪声特点和数值处理方法,用基于速度势的面元法和噪声时域预报方法进行了研究.用面元法对非均匀流场中的螺旋桨非定常压力分布进行计算,将计算得到的压力时域信号输入到噪声积分方程中,可以得到螺旋桨诱导的噪声声压,该方法直接将噪声源分布在真实的螺旋桨表面而非螺旋桨的拱弧面,对噪声源和观测点的距离没有作任何近似,并可以考虑桨毂对噪声声压的影响.通过对计算结果的比较和分析,说明在非空泡条件下,桨叶厚度、桨毂负荷和桨毂厚度引起的噪声声压非常小,对螺旋桨低频线谱噪声总声级的贡献可以忽略不计,高阶叶频声压级比一阶声压级明显要低,一阶叶频声压级在桨轴方向上最大,在桨盘面方向最小.     

螺旋桨空泡的数值分析

螺旋桨空泡会降低螺旋桨性能,产生空化剥蚀和噪声,从而导致船体振动.文章采用基于速度势的低阶面元法对螺旋桨水动力性能和空泡的范围及厚度进行求解,分别用Morino提出的Kutta和等压Kutta条件对压力分布进行计算,讨论了两种Kutta条件对压力分布的影响.计算了空泡产生后的压力分布,验证了在空泡表面上的压力等于水的汽化压力.对空泡起始点对空泡形状的影响进行了研究,结果表明,空泡起始点对空泡范围有很大影响,空泡起始点离导边越远,空泡范围越小.     

螺旋桨诱导的船尾脉动压力的数值模拟

利用奇点分布的方法计算船尾脉动压力．在用面元法计算螺旋非定常水动力性能的基础上,在船舶尾部分面元并分布奇点,通过迭代求解船尾和螺旋桨的相互影响,在此计算过程中,采用较为简捷的关于扰动速度势的基本积分微分方程,并采用双面曲形状的面元以消除面元间的间隙,Newton-laphson迭代过程被用来在桨叶随边满足压力Kutta条件,使桨叶上下表面的压力在随边有良好的一致性,在计算面元的影响系数时,应用了Morino导出的解析计算公式,加快了数值计算的速度．从面元法的基本积分方程得到的偶极强度和源汇强度,直接求得流场中的速度分布,并以此计算船尾和螺旋桨的相互影响,得到稳定的流场以后,通过伯努里方程计算船尾压力分布,并通过傅里叶变换得到各个阶脉动压力,最后将计算结果和试验结果作了比较分析。     

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。     

船体和螺旋桨相互干涉时的兴波阻力计算

为了更加准确地预报实船的阻力性能,在计算兴波阻力时考虑了船体和螺旋桨相互作用.对基本Rankine源法进行改进,船体周围的流场速度势可以表示成4部分:叠模绕流速度势、考虑自由面影响的波动速度势、螺旋桨对船体的干涉而产生的速度势和螺旋桨涡格子模型诱导速度势.以Hess-Smith法计算的叠模绕流解作为基本解,进行迭代计算,直至收敛.并编制了相应的数值计算程序,以26 000 t成品油船的模型为例进行分析比较,获得了令人满意的结果.     

LES和无限元耦合方法预报螺旋桨均匀流噪声

为获取水下螺旋桨噪声数值预报的方法,通过大涡模拟(LES)和声学无限元方法耦合,对均匀流螺旋桨进行频域噪声数值预报。通过敞水性能和桨叶表面压力分布的计算结果和试验值的对比分析,证明计算方案的准确性,进而分析了螺旋桨周围流场的脉动压力,获得特征点处各阶脉动压力幅值信息。在对螺旋桨噪声性能进行分析时,从特征点的声压频谱曲线中可以获取螺旋桨各阶叶频声压级峰值信息,且可得知总声压级大小与一阶叶频(BPF)的声压值相近。同时,由声压云图的比较分析可以看出,螺旋桨均匀流噪声主要由单极子噪声和偶极子噪声组成,单极子噪声占主要部分。该方法能够较为准确的预报均匀来流下螺旋桨的水动力噪声,为实际的工程应用提供了一套可行的预测方案。     

基于滑移网格技术的船桨相互干扰研究

船体和螺旋桨的相互干扰是非定常的,采用力场模拟和混合面模拟等方法,虽然能解决一些实际问题,但是在模拟实际流场的非定常性上则显得不够精确.为了研究船桨相互干扰的非定常水动力性能,基于滑移网格技术,使用CFD前处理软件ICEM CFD划分流场网格,采用DES湍流模型,实现了船体、螺旋桨、完整船桨组合这3种模型的水动力性能研究.预报值和试验值的比较显示,这3种模型的预报结果都和试验值吻合良好.同时,计算结果揭示了船体和螺旋桨的这种相互干扰,对湍流边界层影响不大,但是对船体表面和螺旋桨桨叶的静压力分布影响很大.     

螺旋桨尾流场的数值分析

为了研究螺旋桨尾流场的分布规律,用数值方法计算了螺旋桨的扰动速度.在质量守恒定理和动量守恒定理的基础上建立不可压缩流体的控制方程.在数值计算过程中,采用了湍流模型和SIMPLEC算法,分析了螺旋桨的推力、扭矩以及表面压力分布情况.对螺旋桨的尾流场进行了数值计算,给出了在不同进速时螺旋桨诱导的径向、周向以及轴向诱导速度.分析了螺旋桨诱导速度的分布规律及其和进速系数之间的关系.从计算结果可以看出,进速系数越大,螺旋桨自身形状对其诱导流场的影响越大;进速系数越小,螺旋桨转速对其诱导速度影响越大.     

船舶在波浪中脉动压力预报的三维方法

船体表面的脉动压力预报对于船体结构有限元分析和可靠性分析是十分重要的。预报船舶运动响应、水动压力和剖面载荷的传统做法是采用切片理论，该理论对常规细长船舶的运动响应和剖面波浪载荷能给出较好的预报结果，但对船体表面脉动压力的预报，却因没有充分考虑三维效应而与船模试验结果出入较大。本文通过引入“高频低速”假定，基于三维线性势流理论，用三维源汇分布法在频域内求解非定常流场，进而计算船舶在规则波中运动、波浪载荷和脉动压力响应。对集装箱船FLOKSTRA的计算结果表明：与切片法相比，本方法计算的脉动压力响应与船模试验结果符合较好。     

螺旋桨空化噪声谱模型及结构特征

为研究螺旋桨低频空化噪声线谱的结构特征,考虑了桨叶的非均匀性和空化过程的非严格周期性,改进了螺旋桨空化过程模型,用统计方法求解了空化噪声的平均功率谱.分析了典型的空化谱特征及其在舰船航行状态不稳定和存在近场干涉时的变化情况.结果表明:典型的螺旋桨低频空化噪声线谱存在能反映叶片数的成组结构;舰船航行状态不稳定时,空化过程的周期性较弱,谐波较少;声源与接收器距离较近以及双车螺旋桨是常见的近场干涉情况,此时,线谱谐波结构发生变化.航行状态不稳定及近场干涉情况下线谱谐波结构都难以反映正确的叶片数特征.     

导管螺旋桨不同桨叶的叶梢泄露涡分析

为了深入探讨叶梢泄露涡的流动机理,研究了导管螺旋桨中桨叶螺距比与盘面比对叶梢泄露涡的影响,以及不同桨叶中叶梢泄露涡、叶梢负荷与叶梢泄露流三者之间的关联. 采用数值方法对不同桨叶的导管螺旋桨流场进行了模拟分析. 结果表明: 当螺距比增大,叶梢泄露涡逐渐远离桨叶吸力面,涡核空化数降低;当盘面比增大,叶梢泄露涡的轨迹基本不变化,涡核空化数提高; 叶梢泄露流通过与叶梢泄露涡之间的流动剪切作用影响叶梢泄露涡的发展;叶梢泄露流流速受到叶梢负荷的影响,负荷越高的位置,叶梢泄露流的速度也越高．     

航行体云状空泡稳定性通气控制

为研究水下航行体云状空泡稳定性,通过水洞实验对水下航行体模型云状空泡进行了实验研究,对比分析了不同空化数对水下航行体通气空泡稳定性的影响,分别分析了不同空化数下通气空泡发展、断裂和脱落等准周期性波动特性以及脱落速度和空泡发展对表面压力的影响,得到了通气对流动控制效果和局部不稳定性机理.结果表明:在通气作用下空泡内的透明部分逐渐增大,在逆压梯度的作用下,回射流形成并向航行体前部运动,空泡前部由透明逐渐变为浑浊,当回射流到达空泡前段,空泡表面出现波动,在回射流的作用下空泡以涡团形式发生脱落,航行体模型肩部通气空泡的发展和脱落随着空化数的控制而呈现明显的不同;当空化数较大时,空泡发生断裂、脱落两个过程;当通气量增大空化数减小后,空泡呈现断裂、融合、脱落3个过程,此时空泡呈现稳定发展的特性;空泡平均脱落速度随着空化数的减小而减小;实验结果也表明了不同时刻航行体表面压力脉动情况,空泡闭合位置存在压力峰值,航行体表面压力随着空泡的脱落出现波动.     

Dynamic Characteristics of Supercavitating Flow Around a Hydrofoil

Supercavitation dynamic characteristics around a hydrofoil are studied with both high-speed visualization and drag and lift measurements. In the supercavitation condition, the cavitation area covers the entire surface of the foil. There is a distinct interface between the main flow and the supercavitating flow regions. The cavitatin gregion is filled with cavitation bubble and water mixture. Small fluctuations of the interface are observed, which indicates that even a relative smooth surface is formed in this state, the interface is unsteady. The minimum drag is to be obtained in the supercavitation condition.     

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.     

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.     

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.     

基于障碍物的轴流泵叶片空化控制

基于前期水翼云空化控制与轴流泵空化机理的研究成果，面向轴流泵叶片的空化控制，设计并列障碍物条放置于叶片吸力面特定位置. 采用数值模拟与水洞实验方法，研究障碍物的空化控制效果与机理. 结果表明，障碍物虽然对泵的水力效率造成一定影响，在设计点效率下降5.6%，但诱发的前部高压可以有效控制叶片前缘片状空化的产生与发展. 障碍物自身诱发了一定程度的剪切空化团，因与前缘空化产生机理与位置不同，剪切空化具备较强的抗扰动能力，能够有效抵抗来流干扰引起的空化不稳定性.