限制水域内船后螺旋桨梢涡特性研究

为了探究船舶在限制水域中自航时螺旋桨的工作特性,该文基于商业软件STAR-CCM+,通过求解RANS方程对船舶在限制水域航行进行了数值模拟.首先对船-舵一体阻力、螺旋桨敞水性能和船-桨-舵一体自航进行了验证,证明了数值和网格划分方法的可行性;然后考虑不同的水深和船-岸距离,计算并分析了船舶螺旋桨的水动力和梢涡特性.研究...     

船舶螺旋桨模型表面流动形态分析

流动形态观测是流体力学实验测量的一项重要内容,其可用于水动力作用机理、流场特性和特征分析,以及流动数值模拟的准确性验证。该文对船舶螺旋桨模型表面流动形态,及其与水动力的联系进行了概括。通过油流显示,螺旋桨模型叶片表面主要包含三种流动形态：径向为主的流动、周向为主的流动以及两者之间的过渡流动。这三种流动形态与叶片表面的流动状态相关,径向为主流动处于层流区,周向为主的流动处于湍流区,过渡流动为转捩区或流动分离区。螺旋桨的水动力与叶片表面流动状态相关,在螺旋桨设计中要高精度预报水动力,必须使用能够同时模拟层流和湍流的数值方法。     

AU5-65螺旋桨紧急倒车工况流场与涡流噪声数值模拟研究

该文利用大涡模拟(LES)与FW-H声学类比方法对AU5-65螺旋桨第一象限(前进正车)和第三象限(紧急倒车)下的流场与涡流噪声进行了数值模拟研究。在规范的网格收敛性分析和亚格子涡模型影响性分析的基础上，采用1 063万网格与SL亚格子涡模型，首先对螺旋桨敞水第一和第三象限不同进速下的流场与水动力性能展开了计算分析，并通过相关试验数据校验了计算方法的可靠性，将不同工况与不同进速系数下的瞬态流场、桨叶切面压力和涡旋结构演化等结果进行了对比分析；在此基础上，结合FW-H方程对AU5-65桨敞水正车前进与紧急倒车时涡流噪声频谱进行了计算分析，探讨了紧急倒车工况下的螺旋桨涡流噪声幅值与频率特征。研究结果表明，该文建立的数值计算方法适用于螺旋桨紧急倒车工况下的流动与噪声模拟。     

船体黏性非均匀伴流场中螺旋桨非定常水动力性能预报研究

采用滑移网格技术模拟螺旋桨的旋转,使用CFD前处理软件ICEM CFD划分流场网格,运用基于求解RANS方程的CFD软件数值模拟了螺旋桨的水动力性能.预报了均匀流场中三个不同类型螺旋桨的水动力性能.针对非均匀伴流场采用两种不同的处理方法,研究了两个不同螺旋桨的非定常水动力性能.讨论了基于滑移网格技术的网格划分方法、边界层网格的处理方法和计算稳定性的判断方法等影响计算精度的关键因素,分析了不同湍流模式对预报结果的影响.预报结果显示,船体伴流场的不均匀性导致了桨叶表面压力分布随桨叶的位置不同而发生变化,且计算值和试验值吻合的很好.     

毂帽鳍节能原理的CFD分析

随着绿色船舶理念的逐渐兴起,船舶水动力节能技术日益成为研究的热点。毂帽鳍是一种用于提升船舶螺旋桨推进效率的水动力节能装置,能够打散螺旋桨的毂涡,消除螺旋桨毂帽后端的低压区,是一种通过回收螺旋桨叶根部旋转尾流的能量从而达到节能目的的节能装置,因其具有良好的节能收益、成本低和施工方便等优点而受到了广泛的应用。传统上,主要采用模型试验的方法进行研究,但有着成本高、周期长等不足。随着计算机技术的发展,计算流体力学(CFD)越来越多地应用于节能装置的研究上。该文使用CFD开源的代码工具OpenFOAM对毂帽鳍的水动力性能进行了预报,计算中采用滑移网格技术进行流场的计算。通过对比有无毂帽鳍的两种情形下螺旋桨敞水特性,发现毂帽鳍能够有效地改善螺旋桨后尾流场,从而提升螺旋桨的推力,降低螺旋桨的扭矩,起到了明显的节能作用。     

基于非结构网格的螺旋桨周围流场大涡模拟

采用基于非结构网格的有限体积法对螺旋桨的水动力性能和周围黏性流场进行了大涡模拟,在加权最小二乘法重构流动物理量梯度的基础上,分别以三阶精度的UMUSCL(Unstructured Monotonic Upstream-centered Schemes for Conversation Law)插值方法和方向导数法离散控制方程的对流项和亚格子应力项,计算得到的螺旋桨的定常水动力性能、叶片表面压力和尾流场速度与试验吻合很好.     

非均匀流下桨叶侧斜对螺旋桨空化和压力脉动的影响

侧斜对螺旋桨的水动力性能及空化性能均有十分重要的影响,该文基于k-ωSST湍流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对非均匀流条件下四个不同侧斜螺旋桨周围的非定常空化流动情况进行了数值模拟研究。首先进行了螺旋桨水动力性能和空化特性计算,通过与试验结果对比,评估了网格数量的影响以及计算方法的可靠性。在此基础上探讨了侧斜对空化形态以及压力脉动的影响,结果表明：适当地增大侧斜可以使螺旋桨的平均推力得到提升。此外,侧斜的增加可以使桨叶徐徐切入船尾伴流,从而使螺旋桨空化体积的变化趋于平缓,进而有效地降低压力脉动,抑制振动和噪声,提高船舶运行的安全性和舒适性。     

基于三种方法的螺旋桨敞水性能数值预报

该文基于三种不同的CFD方法:多重坐标参考系法(MRF)、任意网格界面元法(AMI)和重叠网格方法(Overset)对某一四叶螺旋桨的敞水性能进行数值模拟和预报,并对螺旋桨周围的流场进行了分析。其中,对于任意网格界面元法(AMI)与多重坐标参考系法(MRF),分别采用开源CFD计算软件Open FOAM所提供的求解器pimple Dy MFoam与MRFSimple Foam进行计算;对于重叠网格方法(Overset),采用基于Open FOAM平台开发的具有重叠网格模块的船舶与海洋工程水动力求解器—naoe-FOAM-SJTU进行求解。通过与试验结果的对比以及方法间的比较,验证了三种方法在螺旋桨敞水性能预报中的可靠性和有效性,并总结了各方法的特征与优劣。同时也对螺旋桨附近的流场特征进行了讨论与分析。     

非定常空化对螺旋桨性能和流动结构影响的数值研究

该文利用DDES模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型开展了空化对螺旋桨性能及流动结构的影响研究。首先，采用三套系统加密的全结构化网格预测了螺旋桨非定常空化演变过程，并从敞水性能、空化形态和DDES V&V三个角度说明了模拟结果精度较高。随后，该文分析了非定常空化对螺旋桨水动力性能和流动结构的影响。结果表明，片空化发展前期，空化区域内存在导边分离流动、回射流及梢涡等主要流动结构，而片空化发展后期，导边分离流动减弱，梢涡流动明显增强。结合涡量输运方程的结果表明，非定常空化促进了桨叶附近涡量的产生和演变，而涡量的变化又使不同状态的流动结构相互作用加强，最终造成螺旋桨空化流动的不稳定性增强。     

三维动波浪壁流动的数值研究

本文用ＡＬＥ方法对二、三维动波浪壁边界层流体运动进行数值模拟，并由流动的速度场，涡量场和压力分布了波涡相互作用的机理，动波浪壁边界层的流动特征和明显的减阻效应。数值结果表明了ＡＬＥ方法和动网格系统对劝波浪壁边界层流体运动是一种有效的数值方法。     

用大涡模拟方法数值模拟Spar平台涡激运动问题

该文采用基于开源代码计算流体力学工具包Open FOAM开发的船舶与海洋工程水动力学求解器naoeFOAM-SJTU,对一座Spar模型的硬舱部分进行了涡激运动的数值模拟。采用大涡模拟方法数值模拟了不同折合速度下Spar模型的涡激运动情况,并与Finnigan等[1,2]的模型试验结果作了对比和分析,证明了求解器naoe-FOAM-SJTU在模拟涡激运动方面的可靠性。     

小水线面双体船后螺旋桨非定常力特性研究

螺旋桨作为船舶主要振源,其非定常性能的研究对于船舶噪声和振动的控制意义重大。该文采用滑移网格技术,基于分离涡模拟方法(DES),对带首尾鳍船桨一体模型开展了螺旋桨非定常力的数值计算,研究了小水线面双体船后螺旋桨的非定常力特性,并通过与试验结果的对比考察了数值计算方法的精度。计算结果表明,螺旋桨受到的三向力和力矩均有明显的叶频特性,其中推力脉动幅值和水平弯矩脉动幅值较大;此外,分析得出了脉动压力和脉动压力幅值在船体表面局部范围内的分布规律,并将多个测点的脉动压力一阶和二阶叶频幅值与试验测量值对比,其中一阶叶频结果与试验值吻合良好。     

螺旋桨尾流场的数值计算方法

通过解析公式计算得到面源和面偶的诱导速度,在面偶附近区域,用涡环代替面偶,计算得到螺旋桨的速度场,根据尾涡面必须和当地流体流速相切的原则,修正原来尾涡面的形状,逐步迭代直至螺旋桨的尾涡形状收敛。将这种方法计算得到的螺旋桨水动力性能和试验结果进行了比较分析,证明该方法可以提高螺旋桨水动力性能在非设计工况下的预报精度。     

孤立波作用下边界层的模拟与分析

孤立波作用下的边界层内的剪切力以及涡量变化对海啸传播和海底地形塑造十分重要。本文基于多区域谱方法,利用直接模拟(DNS)数值模型,对在具有矩形断面的U形水洞内的孤立波下的边界层流动进行了模拟。将数值模拟结果与解析解以及试验结果进行了对比,发现数值结果与后两者吻合得较好。模拟结果显示,在低雷诺数下,扰动不会改变流态,而随着雷诺数的增大,流态会变得十分复杂。中等雷诺数情况下,边界层内会产生正向的涡,并进行稳定的传播。在较高雷诺数情况下,流动进入层流向紊流发展的过渡期,此时边界层内会产生正涡以及负涡,并会在水深方向进行不规则运动。     

基于CFD的船-舵水动力干扰数值研究

该文采用基于RANS方程求解的CFD方法,对匀速直航的船-舵系统的黏性绕流场进行数值模拟,计算了不同船速和不同舵角下的船-舵水动力干扰系数,计算中忽略了自由面兴波及螺旋桨的影响。文中以KVLCC1船、舵模型为研究对象,首先将数值计算的船舶水动力及船-舵水动力干扰系数结果与模型试验数据进行比较,验证了所采用数值方法的有效性;随后,对船-舵系统、裸船体和敞水舵分别进行计算,通过水动力计算结果的比较以及流场分析,对船-舵水动力相互作用进行了数值研究。     

驶经桥墩船体非定常水动力相互作用数值预报

应用CFD软件对船舶通过桥区时的船体-桥墩水动力相互作用进行数值研究,通过使用动网格技术及UDF进行船舶运动过程中的网格更新,对船舶沿直线航线匀速驶经桥墩时的非定常粘性流场进行数值模拟,对桥墩诱导的船体非定常水动力进行数值预报,其中假设船舶航速很小,因而自由面兴波的影响可以忽略。以一艘集装箱船和一个垂直柱体桥墩模型为例,选取不同的船体-桥墩横向距离进行了数值计算,得到了作用在船体上的横向力和转首力矩时历曲线,分析了船体-桥墩横向距离对船体非定常水动力的影响。     

模拟自由面影响的涡格方法

基于涡格法来计算自由面影响下的水下航行体或螺旋桨水动力性能。水下航行体、螺旋桨以及自由面均采用涡格来表达,航行体涡格布置在真实物面上,桨叶涡格布置在拱弧面上,自由面涡格布置在静水面上方合适的距离处。通过奇点系的诱导速度来模拟物体与自由面的相互作用,在物面(或螺旋桨拱弧面)上满足不可穿透条件及在静水面上满足线性自由面条件,建立关于涡强的线性方程组并联立求解。通过球体、水翼及螺旋桨等算例考察了该方法的收敛性和精度,并讨论了进速和沉深对螺旋桨水动力性能的影响。     

不同工况下无轴泵喷推进器间隙流动损耗特性数值分析

为研究无轴泵喷推进器间隙流动特性以及流动损耗机理,采用雷诺平均(RANS)方程对不同工况下无轴泵喷推进器周围流场进行数值模拟.该文首先进行了推进器水动力性能计算,通过与试验结果的比较,评估了湍流模型和网格数量对结果的影响.在此基础上,进一步采用柱坐标系下涡量输运方程和熵增理论,分析了不同工况下推进器间隙流动特征和能量损...     

船舶大漂角斜航运动水动力数值预报

斜航是一种很常见的船舶航行状态,准确把握船舶斜航水动力特性对于船舶操纵性预报至关重要。该文以大型油轮KVLCC2船模为研究对象,基于CFD软件STAR-CCM+的多面体网格,采用SSTk-ω湍流模型,通过求解船体绕流的定常RANS方程,对船舶斜航黏性流场进行数值模拟。在完成网格无关性分析后,通过将数值结果与现有试验数据对比,验证了所采用数值方法的有效性。在此基础上,数值模拟了船舶在0o-180o漂角下的黏性绕流,得到了船舶斜航水动力系数随漂角的变化规律,其结果有助于更好地理解不同漂角下的船舶水动力特性。     

限制水域内船-桨-舵一体螺旋桨轴承力数值研究

为了探究浅水及岸壁效应影响下船-桨-舵一体自航时螺旋桨的轴承力,该文通过求解RANS方程,采用计算流体力学商业软件STAR-CCM+,对船-桨-舵一体在限制水域内自航进行了数值模拟.采用滑移网格技术来模拟螺旋桨的旋转,首先对船-舵一体阻力和船-桨-舵一体自航进行了验证,证明了数值和网格划分方法的可行性;然后对无限水域以...