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%.     

非定常流中桨后舵附推力鳍的数值模拟

采用基于速度势的面元法计算螺旋桨与其后舵附推力鳍的非定常水动力性能，船体对螺旋桨的影响以桨盘面处的非均匀伴流来模拟．计算了螺旋桨0．7半径处在旋转一周过程中表面压力分布的变化情况，并与试验数值进行对比．在此基础上，计算了处于非均匀来流的螺旋桨后的舵附推力鳍的水动力性能．舵附推力鳍与螺旋桨的互相干扰以迭代处理，分析了采用不同剖面的推力鳍其助推效率的变化，将鱼形鳍剖面引入推力鳍中，并对鱼形鳍随边处进行了一些修改，计算了螺旋桨在旋转一周过程中，鱼形推力鳍助推效率的变化，计算结果与相同展长、弦长的NACA0018剖面相比，鱼形鳍的助推效率增加了约30％．     

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。     

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。     

桨舵系统非定常水动力性能的整体求解法

为了研究桨舵系统的非定常水动力性能,采用整体法求解桨舵系统干扰问题.通过面元间影响系数变化来考虑二者间的干扰,桨舵水动力性能同时求解.改进了整体计算法,简化了影响系数变化的复杂规律,完善了理论计算方法.利用ITTC推荐的HSP桨对程序的可靠性进行了验证.讨论了螺旋桨尾涡对舵的影响,计算了均匀来流中桨舵系统的水动力性能,...     

螺旋桨对船舶操纵运动水动力影响的数值研究

船-桨-舵相互作用是影响船舶操纵性能的重要因素之一。本文采用RANS方程求解方法并结合SST k-ω湍流模型，计及自由面兴波影响，螺旋桨用体积力法建模，数值模拟了带桨、舵的全附体集装箱船KCS船模的舵力试验、斜拖试验。为研究螺旋桨对操纵运动水动力的影响，分别对带螺旋桨和不带螺旋桨的船-舵系统进行计算，对比了船模水动力随漂角、舵角的变化情况。研究结果表明：带螺旋桨的船-舵系统的水动力和力矩对舵角的变化更加敏感；螺旋桨的运转主要增大了船艉部的横向力；在舵力试验和带舵角的斜拖试验中，螺旋桨对横向力、转艏力矩有显著的影响。     

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.     

扭曲舵空化起始航速分析

针对水面中高速舰船舵的空化问题,研究了普通舵和扭曲舵的空化特性,比较了两种舵的空化起始航速。通过CFD方法,对桨后舵水动力性能进行了数值计算,得到普通舵和扭曲舵的在各种工况、各种舵角条件下的压力分布特性,通过考查两种舵的压力分布特性,对普通舵和扭曲舵的空化起始航速进行了计算评估。结果显示:在各航速各舵角下,扭曲舵的压力降峰值比普通舵明显减小,可以大幅提高舵的空化起始航速,在舰船0舵角直航时,扭曲舵的空化起始航速可以提高5.9 kn。因此扭曲舵可以减小舵上空化剥蚀和振动,对舵的使用寿命和舰船的隐身性是有利的。     

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。     

螺旋桨尾涡面卷曲的数值模拟

采用涡环升力面方法分析螺旋桨水动力性能.螺旋桨尾涡面由双曲四边形面元进行离散,每个面元上布置线性偶极子分布,尾涡面卷曲形状由运动学边界条件来确定.在诱导速度计算中引入了非奇异光滑参数.尾涡面的数值模拟结果是合理的,方法是稳定的.与经验尾涡模型相比,螺旋桨敞水性能的预报精度有所提高,计算结果与试验结果吻合较好.     

单桨双舵的水动力干扰研究

利用较简捷的关于扰动速度势的基本积分方程，采用双曲面形状面元，应用Morino导出的解析计算公式计算面元影响系数，加快了数值计算的速度。从解面元法的基本积分方程得到的偶极强度和源汇强度，直接求得流场速度分布；为避免在物面上数值求导，用Yanagizawa方法求得物面上的速度分布并通过伯努里方程计算桨舵的压力分布，以此计算桨舵的升力系数等宏观量，通过迭代方式考虑桨舵的相互影响，并将计算结果与联邦德国内河船研所的实验结果进行比较。     

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.     

不同湍流模型在螺旋桨水动力性能计算中的应用与比较

为了研究不同湍流模型在螺旋桨水动力性能预报中的适用性,运用计算流体力学软件对粘性流场中螺旋桨的敞水性能进行了计算研究.分别采用标准模型k-ε、RNGk-ε模型和雷诺应力方程模型(RSM)模拟了敞水螺旋桨在不同进速系数下的推力系数、转矩系数等.由3种湍流模型的预报结果与试验值的对比得出:标准模型对螺旋桨水动力性能的数值预报存在明显的缺陷;RNGk-ε模型相对于标准k-ε模型有所改进,但这种改进仍然没有抛弃基于涡粘性假设的基础,对预报精度的改进是有限的;而RSM模型完全抛弃了涡粘性假设,完全求解雷诺应力的微分输运方程,并且考虑了壁面对雷诺应力分布的影响,因此具有较其他2种模型更强的模拟能力.     

直翼推进器的理论研究

利用二维机翼理论对直翼推进器水动力性能进行探讨,研究中考虑了由于叶片的非定常运动引起的下泄涡之间,下泄涡与附着涡以及附着涡之间的相互干扰作用.对不同叶数、偏心率、进速系数时的直翼推进器的推力、扭矩进行了计算.计算结果表明在大进速比时与实验值吻合得很好;在和未考虑涡系干扰作用的三维机翼理论计算结果比较时,对于叶数较少的情况,两者计算精度相当,在叶数较多的情况,本理论计算精度有明显改善).     

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.     

船舶螺旋桨最佳环量分布的数值计算分析

对于最佳环量分布的求解,Lerbs方法是忽略纵倾与侧斜,直接以径向线作为升力线,当要考虑侧斜或纵倾对最佳环量分布的影响时,该方法就显得有些力不从心。将集中的附着涡放置在桨叶的中线即弦长中点处,并用该方法计算了纵倾与侧斜分布均为0时的最佳环量,与Lerbs方法计算的结果进行了对比,分析表明结果吻合较好。同时讨论了侧斜分布对最佳环量分布的影响及诱导速度计算中的角度步长对最佳环量分布精度的影响。