四桨推进船舶螺旋桨负荷数值计算分析

针对四桨船舶内外桨负荷分配不均匀的情况,本文采用混合网格技术,对四桨船舶螺旋桨水动力性能进行了计算。分析了附体以及内外桨相互干扰对螺旋桨负荷的影响,从伴流场的角度分析了内外桨负荷不均匀的原因。研究发现:前后桨之间相互影响,内后桨处于外前桨的尾流中,所以内后桨受影响更大;与螺旋桨旋转方向相反的周向预旋伴流,可有效提高螺旋桨负荷,且伴流速度越大,效果越明显。双臂轴支架位于螺旋桨近前方,对桨前伴流场具有重要影响,合理调整轴支架角度,可以达到减小内外桨负荷差的目的。     

考虑非设计工况的螺旋桨优化设计方法

为提高螺旋桨的性能,研究了考虑非设计工况时螺旋桨效率的优化设计方法。以母型桨设计进速周围多个进速点对应的敞水效率为目标函数,以螺距比的径向分布为优化变量,以推力、扭矩和空泡性能为约束条件建立优化数学模型。通过对不同工况的效率值设置权重并进行加权求和的方法,将多目标优化模型转变为单目标优化模型,利用面元法求解螺旋桨的水动力性能,应用柏利尔商船限界线表达空泡性能,基于简单遗传算法对模型进行求解,得到了优化后的螺旋桨螺距比的径向分布,将考虑非设计工况与考虑设计工况下的优化结果进行了对比。对比结果表明,由于船舶航行时航速的变化,仅考虑设计工况下进行螺旋桨优化往往达不到预期的节能效果,需要综合考虑设计航速周围多个工况点对应的效率。     

船舶螺旋桨叶片环量的数值优化

螺旋桨叶片环量分布的优化问题是船舶螺旋桨理论设计中的重要课题，以往的求螺旋桨叶片最佳环量分布的方法多基于Betz条件，因而只对均匀来流的情况是正确的。利用螺旋的升力线模型和变分法原理对螺旋桨叶片环量分布进行了数值优化。优化可分别在给定推力负荷系数和给定功率负荷系数的情况下进行。数值优化计算中计入了粘性影响和来流的径向非均匀性，并以采用镜像涡的方式考虑了桨毂的影响。在文中计算的各种情况下都得到了合理的优化结果。     

环肋导管桨推进性能分析

针对常规螺旋桨或导管螺旋桨旋转时水流漩涡运动引起的船舶推进系统能量损失，本文提出一种环肋状结构的33+Kd5-100导管螺旋桨形式用以回收利用该部分能量。基于计算流体力学理论，对导管螺旋桨内壁后半段构造横剖面为三角形的螺旋状环肋结构采用多分区混合型网格划分方法和移动参考坐标系方法，并对其水动力性能与节能效果进行计算评估。结果表明：环肋导管桨的推力系数和扭矩系数相较于常规导管桨能够获得明显提升；在高进速系数推进时，环肋导管桨在推力系数扭矩系数和效率上均有不同幅度的提高；在低进速系数时其推进性能不如常规导管桨。     

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。     

船舶螺旋桨后尾流速度场理论计算

研究船舶螺旋桨后尾流速度场对于利用桨后节能装置回收螺旋桨后尾流中的旋转动能及研究桨、舵、附体之间的干扰有重要意义.本文采用准非线性螺旋桨升力线理论方法计算了螺旋桨后尾流场的轴向、切向和径向诱导速度,给出了内、外场诱导速度的计算公式及一个MAU系列四叶桨后诱导速度的计算结果,所得结果与日本用激光测速仪测得的结果相吻合.     

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.     

泵喷的三维反问题设计及其与螺旋桨的敞水特性对比

为将某滑行艇螺旋浆替换为泵喷推进器,本文采用三维反问题方法执行泵喷的转子和静子设计,泵喷导管采用改进的导管桨19A导管,叶片厚度分布依据NACA翼型规律分布。在验证CFD数值模拟可信性的前提下对泵喷和螺旋桨进行了敞水计算和水力特性对比。结果显示:基于同一主机,在各自设计工况下所设计前漩式泵喷对应航速更高,喷水能量的轴向分量高出原桨2.5%,推进效率高出原桨3.3%,高速适应性更强,验证了设计方法的准确性和有效性。     

冰桨接触的近场动力学模型

在冰桨接触过程中,螺旋桨可能承受极端冰载荷的作用,对螺旋桨结构强度以及船舶的安全运行产生严重危害。为了研究冰桨接触过程中载荷的变化情况,本文基于近场动力学方法以及连续接触检测理论,建立了冰桨接触数值预报方法。为反映冰桨接触过程中真实的物理过程,针对冰桨接触问题的特殊性,本文基于接触检测理论建立冰桨接触区域识别算法。采用FORTRAN语言编制了冰桨接触数值预报程序,并以某冰区桨为例,开展冰桨铣削工况下数值预报。计算结果表明:本文建立的方法能够真实地模拟冰桨接触过程,并能获得该过程中冰载荷的动态破碎变化过程。     

无空化导管桨的极限效率分析

为提高导管螺旋桨的推进效率,改善水下潜器的续航力,采用数值方法对19A/Ka4系列导管螺旋桨在不同长径比、直径比、螺距比和盘面比下的流场进行了模拟.对不同参数下导管螺旋桨的推力、扭矩和效率进行了分析,得出了导管长径比对性能几乎没有影响,但从流场观察来看,长径比增大使梢涡涡核压力提升,增大了空泡数;减小导管内外壁直径比和螺旋桨盘面比,都会使导管桨的效率提高,而推力系数和扭矩系数略有减小.螺距比对导管螺旋桨效率的影响与传统桨类似,随着螺距比的增大,其最高点效率逐渐增大,而后几乎不变.在限定了盘面比和直径比范围的前提下,对该系列导管螺旋桨的极限效率进行了探索.结果表明,该系列导管螺旋桨的最高效率出现在最小盘面比和较小直径比的情况下.     

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.     

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%.     

提高小型无人机螺旋桨效率的工程方法

提高螺旋桨效率一直是螺旋桨设计中的关键问题。常规的螺旋桨设计理论主要是针对大型飞机的。小型低速无人机螺旋桨的工作特点从多方面制约了螺旋桨效率的提高。本文基于多种型号无人机螺旋桨的研制实践，从选用高性能桨型、放宽螺旋桨桨尖马赫数的上限、合理匹配螺旋桨的吸收功率与发动机的输出功率、精选桨材、提高加工工艺质量、加强表面防护等方面，总结出一套提高小型低速无人机螺旋桨效率的工程手段。风洞试验与飞行实践证实了其有效性与可靠性。     

螺旋桨-冰切削过程中接触载荷试验

冰对螺旋桨的碰撞是一个非常复杂的过程,经常导致螺旋桨桨叶发生变形和损坏,影响了船舶的航行安全。为了研究螺旋桨-冰的切削和碰撞,本文在空气中和水中分别开展了不同模型冰推送速度、切削深度、螺旋桨转速和进速系数下螺旋桨-冰的切削试验,测量了螺旋桨的推力和扭矩。试验结果表明:螺旋桨-冰在空气中切削时,切削深度越深,螺旋桨的推力越小,扭矩越大;模型冰推送速度越快,螺旋桨的推力和扭矩越大。螺旋桨-冰在水中切削时,切削深度越深,螺旋桨的推力和扭矩越大;模型冰推送速度的变化对螺旋桨推力和扭矩的影响很小;螺旋桨-冰之间的距离减小时,螺旋桨的推力和扭矩并不是恒定增加的。     

大型集装箱船上大侧斜螺旋桨模型脉动压力的比较试验研究

对一艘大型集装箱船,按图谱方法设计了一个常规桨。在相同的设计条件下按升力面方法设计了两个不同侧斜角的大侧斜桨。三个桨模在中国船舶研究中心大型空泡水筒中用假船尾加网格模拟的伴流场中进行了脉动压力测量。测量结果表明:大侧斜桨与常规桨比较可以明显地降低螺旋桨对船体诱导的脉动压力,下降幅度达30%左右。     

不同螺旋桨配置对重型破冰船推力的影响分析

为了对比分析不同螺旋桨配置对重型破冰船推力的影响,本文基于已有重型破冰船螺旋桨布置方案,针对3种重型破冰船主参数方案分别提出了两桨以及功率比为1:1:1和1:2:1的三桨布置方案,并以常规螺旋桨的系柱状态替代破冰船破冰工况,计算不同螺旋桨直径、桨叶、螺距、布置以及功率分配下考虑和不考虑空泡的正车系柱推力,对比分析计算结...     

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。     

自由状态冰对螺旋桨水动力性能的影响

为了研究自由状态冰条件下的冰桨非接触干扰,本文采用重叠网格与流体-固体相互作用方法分别对冰桨非接触模型中冰块位移以及螺旋桨水动力性能进行了模拟,与实验结果的对比证明了该方法的可行性.研究发现:自由状态冰后面存在"加速区"与"阻塞区",随着冰块的靠近,阻塞区对螺旋桨的影响增大;随进速系数的增加,螺旋桨的推力系数和扭矩系数...     

基于船-机-桨模型的船舶应急换向控制研究

中速柴油主机动力船舶通常采用应急换向快速制动避险,目前一般采用时间或转速等经验原则控制换向,但易造成主机焖熄或倒车响应不及时等问题。据此提出了一种基于船-机-桨模型的应急换向控制方法,由主机、螺旋桨和船体的推力耦合特性、船型和动力装置技术参数建立船-机-桨数学模型,并引入正车脱排后螺旋桨阻转矩时域值,当主机合排转矩能克服螺旋桨阻转矩及轴桨惯性阻力时,由模型计算输出换向合排标志控制应急换向。Matlab/Simulink仿真验证表明基于船-机-桨模型的应急换向控制方法可显著缩短紧急制动时间和距离。     

通气管直径对半浸式螺旋桨水动力影响

为了研究通气管在不同直径大小的情况下对半浸桨的水动力性能的影响,以一已在实船应用的半浸桨为研究对象,利用VOF方法与滑移网格技术相结合开展了系统的数值计算。采用841-B型半浸桨进行验证数值计算的可行性,在设计点附近,二者误差均小于5%,这说明采用CFD方法研究半浸桨的水动力特性是可行的。研究结果表明:在低航速下,随着通气量增加,使半浸桨更容易进入全通气状态,使推力系数Kt、扭矩系数10Kq都大幅下降,但效率有所提高,让主机转速迅速提高,让半浸桨更快进入工作段;在高航速下,随着通气量增加,空气腔厚度增加,叶栅效应更加强烈,水动力性能大幅下降,此时应把通气管收起。