环流理论与泵理论相结合的导管桨设计优化

针对导管桨的设计和优化问题,提出了螺旋桨环流理论、泵升力法相结合的方法。在设计过程中,采用升力线理论变分法求解最佳环量、泵升力法设计桨叶剖面、面元法预报导管桨性能和流场,通过迭代的方式获得推进性能收敛的导管桨。应用该方法对某案例进行了导管桨设计,并采用CFD方法对设计结果进行了验证,结果表明：该方法设计的导管桨能够满足设计要求;与其他方法设计结果对比表明,采用该方法设计的导管桨推进性能和空泡性能更好。     

水下航行体泵喷推进器总体选型与设计

为了解决水下航行体新型高性能泵喷推进器工程应用的技术瓶颈,本文采用理论分析与数值试验相结合方式,探索了泵喷总体选型的理论依据和三维外形的设计方法。根据"航行体-泵喷-主机"三者能量相互平衡的原理,推导了泵喷总体参数选取步骤。采用叶片三元设计理论与CFD相互迭代方法,完成泵喷叶型设计。本文以MK48鱼雷为例,演示了泵喷选型和设计过程,计算结果表明该泵喷效率超过90%,相同功率条件下推进航速与国外公开数据一致,验证了该选型和设计方法的准确性。     

导管桨周围流场的数值模拟

采用基于RANS方程的雷诺应力模型(EARSM)对导管桨的敞水性能及周围流场进行了数值计算,计算网格采用全结构化网格,网格的划分考虑了导管与桨叶间隙的边界层的影响。在设计进速下,桨叶敞水性能的误差小于2%。对导管桨的周围流场进行了模拟,尤其对导管桨尾部涡系进行了系统研究,计算结果与试验结果吻合较好,说明本文提出的方法可以准确计算导管桨的螺距角,为导管桨的设计及水动力性能预报提供参考。     

前置与后置定子泵喷推进器的水动力性能对比

为探究前置和后置定子泵喷水动力性能上的不同,本文采用计算流体力学方法,基于物理试验数据验证的数值计算模型,从敞水性能、空化性能和脉动特性3个方面对两类泵喷的水动力性能差异进行研究。结果表明:在消耗功率相同、几何尺寸近似的前提下,后置定子泵喷推进性能、平衡性优于前置定子泵喷,在较宽进速范围其推力效率比后者高2%;前置定子泵喷抗空化性能比后置定子泵喷差,空化数越小,推力效率降低幅值越大;前置定子泵喷转子叶片引起的旋转部件流场脉动压力幅值大于后置定子泵喷,而定子、导管等静止部件的流场脉动压力与之相反,后置定子泵喷脉动压力幅值大于前置定子泵喷。     

机械式泵喷与IMP推进器的水力性能对比

针对机械式泵喷与集成电机推进器(IMP)泵喷存在的区别,运用计算流体力学方法预报了前置定子泵喷推进器在设计转速时的敞水性能,并在原机械式泵喷基础上修改为IMP泵喷预报其敞水性能,成功捕捉到IMP泵喷电机定转子之间气隙内逆向流动现象。对比分析两种泵喷相同转速不同进速下的水力性能,主尺度相同的IMP泵喷效率比常规泵喷效率降低约5%;消耗功率比常规泵喷有所增加且增大幅值随进速增大而增大;产生推力比常规泵喷小且减小幅值随进速增加而减小。研究结论为新型推进器的选择设计提供参考。     

前、后置定子泵喷推进器的水力性能对比

为探究前置定子泵喷和后置定子泵喷水力性能上的不同,采用计算流体力学方法,基于经验证的数值计算模型,从敞水性能、空化性能和脉动特性三个方面对两类泵喷的水动力性能差异进行研究。结果表明:消耗功率相同、几何尺寸近似前提下,后置定子泵喷推进性能、平衡性优于前置定子泵喷,在较宽进速范围其推力效率高出后者2个百分点;前置定子泵喷抗空化性能比后置定子泵喷差,空化数越小推力效率降低幅值越大;前置定子泵喷转子叶片引起的旋转部件流场脉动压力幅值大于后置定子泵喷,而定子、导管等静止部件的流场脉动压力与之相反,后置定子泵喷脉动压力幅值大于前置定子泵喷。     

前、后置定子泵喷推进器的水力性能对比

为探究前置定子泵喷和后置定子泵喷水力性能上的不同,采用计算流体力学方法,基于经验证的数值计算模型,从敞水性能、空化性能和脉动特性三个方面对两类泵喷的水动力性能差异进行研究。结果表明:消耗功率相同、几何尺寸近似前提下,后置定子泵喷推进性能、平衡性优于前置定子泵喷,在较宽进速范围其推力效率高出后者2个百分点;前置定子泵喷抗空化性能比后置定子泵喷差,空化数越小推力效率降低幅值越大;前置定子泵喷转子叶片引起的旋转部件流场脉动压力幅值大于后置定子泵喷,而定子、导管等静止部件的流场脉动压力与之相反,后置定子泵喷脉动压力幅值大于前置定子泵喷。     

前、后置定子泵喷推进器的水力性能对比

为探究前置定子泵喷和后置定子泵喷水力性能上的不同,采用计算流体力学方法,基于经验证的数值计算模型,从敞水性能、空化性能和脉动特性三个方面对两类泵喷的水动力性能差异进行研究。结果表明:消耗功率相同、几何尺寸近似前提下,后置定子泵喷推进性能、平衡性优于前置定子泵喷,在较宽进速范围其推力效率高出后者2个百分点;前置定子泵喷抗空化性能比后置定子泵喷差,空化数越小推力效率降低幅值越大;前置定子泵喷转子叶片引起的旋转部件流场脉动压力幅值大于后置定子泵喷,而定子、导管等静止部件的流场脉动压力与之相反,后置定子泵喷脉动压力幅值大于前置定子泵喷。     

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。     

泵喷水动力性能预报及导管拱度的影响分析

为研究泵喷梢隙流动的影响,本文基于面元法理论建立了泵喷组件间的干扰数值模型和梢部泄露涡模型。将不同工况下推进性能的计算结果与CFD方法的结果进行对比,对比结果表明,转子梢部的泄露涡对周围流场存在强烈的扰动,引入梢涡模型可以有效地改善泵喷定子和转子的性能预报精度。在此方法的基础上,通过改变导管翼型剖面的拱度值,分析不同拱度的导管对泵喷水动力性能的影响,分析结论显示,增加拱度可以显著地提高泵喷的推进效率和有效做功范围,直至当导管表现为减速型导管时,推进性能的提高幅度降低;最后针对装配在高速水下航行体的泵喷推进器,给出了导管拱度的建议取值范围。     

不对称导管对船后桨空化性能的影响

不对称导管作为节能附体的一种,研究其节能机理在现在船舶工业中具有重要意义。通过对是否加装不对称导管的船-桨一体化模型的水动力、空化进行数值模拟,研究不对称导管对船后桨空化性能的影响。研究中选取了SST k-ω湍流模型模拟流场中的流动情况,采用Schnerr-Sauer空化模型模拟船后桨的空化。通过E779A螺旋桨空化的数值模拟与试验结果的对比,验证空化模型和数值方法的准确性。对比分析了有无不对称导管的船后桨的空化性能。计算结果表明:加装不对称导管后,船后桨旋转一周内桨叶上的单位推力空化面积变化更小,空化分布更加均匀,船后桨的空化性能得到了较大的改善。     

间隙流动模型对泵喷推进器水动力性能的影响

泵喷作为一种带定子的导管类组合推进器,其内部存在强烈的间隙流动,为了更加准确地预报泵喷推进器水动力性能,本文根据已有的梢部泄露涡模型,考虑泵喷间隙处流动的真实流动情况,考虑间隙区域流体粘性的影响,构建了适用于泵喷的间隙流动模型.通过对比分析泵喷转子、定子以及导管的水动力性能以及压力、环量分布发现:当考虑间隙流动模型的影...     

四桨船舶螺旋桨差异化设计

为了减小四桨船舶内外桨的负荷差,本文建立了一套螺旋桨差异化理论设计方法。基于螺旋桨的理论设计方法进行了内外桨的初始化设计,并采用CFD技术和等推力法,预报船桨一体的总推力减额分数和内外桨的伴流分数。结合螺旋桨理论设计方法和面元法,形成了一套螺旋桨差异化理论设计系统。并以某四桨船舶方案为例,在最大航速工况下,应用本文的方法开展内外桨的差异化设计,并对不同航速下的螺旋桨差异化设计效果进行分析。研究表明:在最大设计航速下,内外差异化设计桨的总推力满足设计要求,负荷差由初步设计时的11.9%减小为0.61%左右,而且在18节和25节航速下的负荷差也分别由初步设计时的13.8%与13.3%减少到5.65%与3.68%。应用本文方法可有效地减小内外桨的负荷差,为四桨船舶螺旋桨设计提供了新思路。     

导管桨内流场及涡特性DES模拟

为研究导管桨内部流动及涡结构组成与分布特性,本文基于分离涡模拟(DES)方法对导管桨内流场及涡特性进行模拟,数值模拟为三维黏性、不可压缩的非稳态计算,采用滑移网格技术实现导管桨的敞水性能试验,应用体渲染方式展示内流场空间涡结构。导管桨水动力性能计算结果与模型试验吻合良好,数值模拟结果表明:导管内壁区域流动复杂,频域内导管壁面压力脉动在叶频及其倍数处出现连续峰值;分离涡模拟方法能有效模拟导管桨内流场中的剪切层涡、叶梢涡、叶片脱落涡和叶根涡等不同涡结构,导管的存在导致梢涡形态发生变化,涡量更大面积分布于导管内壁,有助于导管回收螺旋桨尾流涡能,以提高推进效率。     

泵喷推进器水动力性能实验研究

前置定子式泵喷推进器被广泛应用于世界各国的新一代安静型潜艇上，但其水动力性能实验研究目前还比较匮乏。在空泡水筒中，对一型九叶定子七叶转子的前置定子式泵喷推进器进行了实验测试。其中，使用测力装置对敞水状态下泵喷推进器的推力系数和扭矩系数等进行了测试，使用激光粒子测速系统对其尾流场进行了测试。实验结果表明，此型前置定子式泵喷推进器的转子推力系数、定子及导管推力系数、转子扭矩系数均随着进速系数J的增大而减小，但定子及导管的合扭矩系数的绝对值反而随着J的增大而增大。泵喷推进器的效率在J=1.0处达到最大，为61.91%。前置定子式泵喷推进器的推力主要由转子提供。此外，泵喷推进器的尾流场由喷流加速区、轮毂低速区、混合区组成，实验测试得到了不同工况下尾流场中的瞬态速度以及平均速度值。     

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.     

混流式喷水推进泵三元设计及数值试验

为了快速、准确地设计出高质量喷水推进泵,采用三元反问题计算与正问题计算相互迭代的方法对某混流式喷水推进泵进行了设计.基于三元的方法对喷水推进泵叶轮进行设计,把叶轮内的三维流动分解为周向平均流动和周向脉动流动,周向平均流动方程直接由三维Euler方程作周向平均导出,周向脉动流动由Clebsch变换建立起控制方程;用置于叶片中心面上的涡来代替叶片对流场的作用,而叶片形状以满足流动边界条件迭代确定.用考虑流体粘性的雷诺时均方法(RANS)对所设计泵进行数值试验,计算结果表明:所设计泵在设计点效率达到90.5%,设计转速下喷泵NPSHr远小于设计指标,并且在较宽的流量范围内具有良好的水力性能,验证了设计方法的准确性和有效性.     

喷速比对浸没式喷水推进器推进性能的影响

为了研究喷速比对浸没式喷水推进器性能的影响,选取喷速比分别为1.64和1.7的两型浸没式喷水推进泵,运用三元设计方法对两型浸没式喷水推进泵进行了水力设计。运用计算流体力学(CFD)方法分析了浸没式喷水推进泵的水力性能和空化性能。将这两型浸没式喷水推进泵分别安装在某型船上,对两型浸没式喷水推进泵装船后的推进性能进行了CFD数值模拟。研究表明:在设计航速时,两型浸没式喷水推进泵的空化性能都满足要求,并且推进效率都达到了63%以上,但喷速比为1.64时推进效率较高。     

射孔下泵防喷一体化管柱的应用探讨

射孔下泵防喷一体化试油工艺技术即射孔与下泵生产及防喷一次性完成的工艺,该工艺采用一趟管柱完成射孔和抽油生产,不但能减少作业工序和投产时间,节省施工成本,也可以避免压井液对油层的伤害。江汉油田结合自身试油现状和油层特点,通过反复实践,最终采用优化射孔枪与抽汲泵之间的距离,以及用杆式泵替代管式泵等方法完善了射孔下泵防喷一体化管柱技术,为后续应用该技术提供参考。     

定子预旋角对泵喷推进器敞水脉动特性影响

为改善某泵喷推进器（简称泵喷）低频压力脉动,降低泵喷噪声辐射,在原有泵喷基础上分别调整定子进流角、出流角及安装角,并数值分析了前置泵喷一定范围内定子预旋角下的性能。分析表明:推力、扭矩和最高效率都随预旋角增大而增大,其中安装角影响最大,出流角次之,进流角最小;分析桨叶推力脉动频域结果,发现单叶片推力脉动受定子影响,其对应频率主要为BPF_s（定子叶频）倍频,并在1BPF_s最大;而桨叶总推力脉动频率受定子和转子共同影响,在4BPF_r达到最大。通过分析叶片表面压力标准差,发现桨脉动最强位置为前缘及叶梢附近,而定子则位于后缘;进一步分析定子和转子周围监测点压力脉动特性,得到主要频率信息为1BPF_r,并且在泵喷尾部中高半径处脉动最强。结果表明,泵喷低频脉动幅度随角度增加而增加,但角度调整方式对其影响规律在正、负角不同;此外,探究了桨叶前缘同一轴向、不同径向位置的相位关系,出流角和安装角对相位影响较大,并且相位关系依预旋角正、负分别呈两极化分布。