叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响

为丰富无轴泵喷推进器噪声性能优化理论,研究了叶片数对无轴泵喷推进器性能的影响,重点探究了不同叶片数下无轴泵喷推进器内的压力脉动变化规律。基于计算流体力学中的有限体积法离散RANS方程,应用RNG k-ε湍流模型封闭计算模型,采用SIMPLEC进行压力-速度耦合,对不同叶片数下的无轴泵喷推进器内部流场进行了非定常数值模拟计算,并对计算结果进行了详细的对比分析。研究结果表明:随叶片数的增加,无轴泵喷推进器模型的扬程、效率和推力均逐渐增大,叶片表面压力分布更加均匀,叶轮轮缘和中部的压力脉动均明显降低,叶轮进出口主频处的压力脉动幅值从轮缘向中心逐渐减小。

喷水推进器进水流道在来流含气条件下的内部流动特性分析

为了研究喷水推进器进水流道在来流含气条件下的内部流动特性,以轴流式喷水推进器为研究对象,对喷水推进器在不同来流含气条件下进行全流域定常数值仿真,得到了不同来流含气条件下进水流道各截面气相体积分数分布特征和不均匀度变化规律.计算结果表明:在低航速区间时,进水流道内流量小、流速低,受管道几何结构影响,下部弯管处流体堆积现象明显,随着航速的升高,流量增大、流速提高,流体在上部弯管处产生流动分离,导致堆积区向上部弯管转移;在来流含气条件下,进口含气率和气泡直径的增大,会导致气液两相干涉作用变强,造成气体堆积现象加剧,影响流面的不均匀度.

基于AU型螺旋桨的对称螺旋桨水动力性能研究

为特种船舶的需要在AU螺旋桨基础上对叶型进行对称化处理得到对称螺旋桨模型,应用计算流体动力学方法为某AU型螺旋桨进行敞水数值模拟,得到该螺旋桨正向旋转时的水动力性能,并与实验图谱数据进行误差分析,证明数值方法的有效性。为对称螺旋桨进行了敞水性能模拟,对比数据分析对称螺旋桨水动力性能的优势和劣势,为特种船舶的推进设计提供可靠的参考数据。

巡航状态下泵喷推进潜艇流场与声场特性研究

为研究巡航状态下泵喷推进潜艇流场和声场的分布规律,本文基于分离涡模拟湍流模型进行全流域非定常数值计算,运用声学有限元方法预测流动诱导噪声。试验研究在循环水槽试验台进行,采用水听器和推力采集系统测试噪声和推力信息。结果表明:外流场对喷流流场的影响随航速的增加而减弱,泵喷内部存在流道堵塞现象;叶轮噪声为最主要的流体动力噪声源,其频谱特性与压力脉动的频谱特性相似;过流壁面噪声声压级在子午面呈偶极子分布,而喷流噪声在弧矢面分布有一定的均匀性,在子午面上沿喷流方向存在极大值。研究揭示了巡航状态下泵喷内部的复杂流动过程和各类流动诱导噪声分布规律,为高效低噪的泵喷推进器设计和性能优化提供了一定的理论基础和技术支持。

后置定子泵喷推进器噪声辐射特性分析

为了探究后置定子对泵喷推进器噪声的影响,本文利用杆-翼模型完成了噪声数值方法的验证,并基于分块结构性网格对研究模型进行了瞬态模拟。分析了后置定子对流场的影响,提取了模型周围若干监测点噪声数据,探究了其噪声辐射特性。结果表明:定子叶片增大了转子尾流的轴向速度,提高了推进器的推进性能;定子叶片还能够平衡转子产生的压力涡旋,均匀尾流压力;从整体声场指向性分布来看,在轴向方向转子噪声占据主导影响,在小范围的径向方向导管噪声对整体噪声影响较大,定子噪声对整体噪声影响最小;随着距离增加,声场中的低压区指向性由前缘120°和240°向中部收缩,最终整体呈现“∞”型;在轴向方向低频段噪声衰减最快,并且随着距离的增加,衰减速度越来越快,在径向方向上,低频段噪声衰减速度变化并不明显。

后置定子泵喷推进器压力脉动特性分析

基于改进的延迟分离涡模型对后置定子泵喷推进器瞬态流场进行数值模拟,所得推力计算值与试验值最大误差为4.68%,验证数值模拟的可靠性。分析泵喷推进器近流场压力脉动时频域特性,研究多工况下后置定子表面压力系数、声压脉动时均值的分布规律。结果表明,泵喷推进器内压力脉动主要受转子影响,脉动周期与转子旋转周期一致,频域峰值出现在低频段且均为转子叶片通过频率的整数倍;后置定子平衡转子扭矩的做功区集中在定子前缘,并沿弦向贡献逐渐降低,尾缘约1.8%定子弦长位置对平衡扭矩近乎无贡献;前缘是定子噪声的主要贡献源,在高进速系数下,尾缘表现为定子噪声的次要贡献源,随着进速系数的降低,尾缘对定子噪声贡献逐渐降低。

基于FMECA的水下轮缘推进器复合可靠性分析

水下轮缘推进器可运行在较深海水的环境下,其可靠性不但受到加工制造的影响还受到严酷运行环境的影响。为了降低设备故障率,本文提出以FMECA和单元风险优先数(RPN)融合的可靠性分析策略。首先将水下轮缘推进器进行单元分解,详尽分析各单元风险优先数,并以此为作为加权因子,建立水下轮缘推进器可靠性模型以及进行各单元可靠性分配,对水下轮缘推进器的系统进行复合失效率分析,最终通过计算公式求得可靠性数据。此方法可综合考虑运行装备的多种因素,对水下轮缘推进器的实际可靠性运行具有指导意义,最终将该策略应用到一款自研的水下轮缘推进器研制过程,实践表明了该分析策略的有效性。

喷嘴导流片对喷水推进泵性能的影响

本文提出减少径向高度和导流片环绕导流锥分布这2种喷嘴导流片结构,通过DES-FEM耦合的方法研究了喷嘴导流片对喷水推进泵推力及噪声性能的影响。结果表明,随着喷嘴导流片径向高度减少,喷水推进泵推力增大0.61%,流量略微增大而扭矩略微降低,内流噪声主频仍为导叶叶频但幅值降低2.43%,总声压级略微升高;导流片环绕导流锥分布时,喷水推进泵推力提高1.03%,流量增大0.76%,扭矩提高,声压级主频处幅值降低2.05%,总声压级降低,内流噪声主频由导叶偏移至叶轮处,但两者声压级幅值差异较小;各方案频谱中均存在叶轮叶频谐频;内流噪声能量主要集中在中低频段。

对转喷水推进器前后叶轮能量配比对其性能影响的数值研究

面向新型舰船高效推进系统的研制需求,将对转叶轮形式与喷水推进技术相结合,以更高能量密度的能量转化模型代替传统模式。该文采用计算流体力学的数值模拟方法,对基本参数相似、前后叶轮能量配比不同的2种推进方案开展了定常内流场分析与非定常叶轮干涉特性研究,结果表明:2种能量配比的对转喷水推进器推进效率基本相同,适应航速范围广、高效区宽;前叶轮起到了整流作用,降低了进口流道流场不均匀性对后叶轮的影响;增加后转子负载,减小前叶轮负载的能量配比方式有利于对转喷水推进器非定常性能的提升,推进器叶轮激振力与压力脉动幅值下降明显。

不同启动条件下泵喷推进潜艇的瞬态特性研究

为研究泵喷推进潜艇启动过程中的瞬态特性,基于DES(detached-eddy simulation)湍流模型对“泵-艇”一体化模型进行全流域非定常数值模拟,采用线性方式进行启动,分析启动时间对泵喷内部及尾流场的影响机理。结果表明:启动过程中,随转速的增加,流量呈线性增长的态势,推力和轴功率呈指数增长;动静叶栅工作面和背面的压差逐渐增大;高涡量区从叶轮叶片前缘和轮毂表面逐渐扩大至整个流道,进口回流逐渐得到一定程度的遏制,漩涡逐渐出现在各个区域;喷流边界从速度梯度不明显且几乎成轴对称分布形态逐渐演变为显著的局部速度梯度且呈“蜿蜒”特性;尾部流场三维涡从启动初期简单的喷管剪切层涡和呈锥体结构的尾涡逐渐演变为由轴心涡、尾流末端涡以及叶片涡系等组成的复杂涡系系统;随启动时间增加,到达相同转速时动静叶栅内部压力整体呈下降态势;喷流尾迹到达的距离越来越长,“蜿蜒”特性更加明显;各涡系结构越来越清晰,尾涡形态产生更加复杂的非规则变化。

泵转子流固弱耦合计算与分析

为了探索流固弱耦合计算在推进泵上应用的可行性和有效性,完成了某转子静强度、动强度和振动模态计算与分析。首先,完成泵稳态和瞬态流场CFD计算,提取水动力载荷数据;然后,采用流固弱耦合方法对结构完成稳态和瞬态计算,提取静应力和动应力以及最大变形,校核静强度和动强度;最后,完成流固耦合条件下转子模态分析,得到模态频率和特征振型。结果表明:转子叶片最大应力位于叶根处、最大位移位于叶梢截面近随边处;转子叶片应力满足材料的强度要求,变形量小于叶顶间隙值;湿模态振型与干模态基本一致,但振型幅值明显降低、模态频率降低。该流固弱耦合计算方法能够用于泵转子结构设计与振动谐响应分析,有助于提升设计质量。

轴流式推进泵快速启动瞬态空化特性研究

基于雷诺时均N-S方程、SST k-ω湍流模型和Zwart空化模型,建立轴流式推进泵瞬态空化计算模型。在瞬态试验验证的基础上,采用数值模拟方法研究轴流式推进泵的瞬态空化特性,分析快速启动过程中的空化演变过程与相关流动机理。结果表明:轴流式推进泵在快速启动过程中的空化演变分为初次峰值区、空化重整区和空化稳定区等3个阶段,不同阶段的划分由泵的启动时间决定,与泵的流量无关。在快速启动时,推进泵内部空泡结构的发展过程先由叶轮加速度控制,之后受系统管阻特性影响。在泵转速到达额定值后,系统的管阻特性决定了流量变化率和启动结束时的流量值,从而使泵内空化结构进行二次发展和结构重整。相较于空化数,轴流式推进泵的汽蚀余量在快速启动条件下依然可直观地反映瞬态空化的演变过程,可作为瞬态空化的参考值。研究结果对分析叶片泵瞬态过程中的空化情况具有指导意义。

喷水推进器起航阶段内部流动及空化特性分析

为了研究喷水推进器在起航阶段的内部流动以及空化特性,以一台轴流式喷水推进器为研究对象,基于Ansys CFX商用软件,采用SST k-ω湍流模型、ZGB空化模型对喷水推进器起航过程进行数值模拟。结果表明,喷水推进器在起航阶段流量与扬程出现滞后效应,进水流道内部流态较为紊乱,出现明显的流动分离现象。喷水推进泵整体湍动能随着起航过程时间的增加而增加,在叶顶处由于叶片压力面与吸力面压差升高形成叶顶泄漏涡而最为明显。叶轮内空泡体积分数随着起航过程的发展而增大,起航完成后稳定阶段空泡体积分数较最高值降低了4.2%,并且严重的空化抑制了喷水推进器的推进效率,起航阶段效率总体呈现为先增大后减少。

基于熵产分析的喷水推进泵空化特性研究

喷水推进泵广泛应用于船舶动力等领域,其内部的空化流动特性对于推进性能具有重要影响。为了对空化流场中的能量损失进行定量评价,基于熵产理论对某轴流式喷水推进泵进行空化特性研究。由于叶顶间隙涡空化在轴流式推进泵中十分典型,数值方法中考虑局部涡流特性,采用旋转修正的SST-CC湍流模型和基于涡识别修正的空化模型,并根据模型泵的参考实验验证数值计算方法。研究结果表明:在不同空化系数条件下,随着空化程度的加剧,熵产值的增大反映了推进泵能量损失的增大,对应效率曲线的下降,泵内总熵产的变化规律与其功率特性基本一致。分析推进泵各段几何区域的能量损失可见,叶轮段的熵产占比最高,尤以湍流耗散和壁面耗散更为显著,这与叶轮叶顶间隙的涡流和空化流场密切相关。研究叶轮叶顶的流动特征可见,在不同空化条件下,叶顶间隙泄漏涡区域引发了旋涡空化,但显著的能量耗散出现在泄漏涡的外缘及附近壁面区域,而叶片表面的附着空化涡则是湍流耗散的主要来源。

一种系列化喷水推进装置的快速选型方法

船用喷水推进装置通常采用系列化的供货模式。喷水推进供货商依据提供的船舶主尺度、航速、动力系统等输入参数,通过船-机-泵匹配理论从系列化喷水推进产品中选择一型以满足需求。本文提出一种基于系列化喷水推进装置的快速选型方法,在仅已知设计航速和主机功率的条件下可快速选择适当的系列化喷水推进规格。本文方法适用于船舶的前期论证和方案设计阶段,船东或设计人员能利用本方法和喷水推进产品样本来实现快速选型。系列化快速选型的结果经分析误差较小,能够满足工程应用的需求。

喷水推进器推力的CFD计算方法研究

简要介绍获取喷水推进器推力的理论、试验及数值计算(CFD)方法,重点研究采用动量流量法和壁面积分法计算喷水推进器推力的CFD方法。采用多块网格技术,用六面体结构化网格和四面体非结构化网格相结合的混合网格离散计算区域,采用稳态多参考系方法求解RANS方程,对喷水推进器进水流道、叶轮、导叶体和喷口所组成的整个流场进行数值计算。计算中采用了k-ε湍流模型和标准壁面函数,对用动量流量法计算推力方法中所需的假想流管分界面和进口面的求取做了分析,将两种方法计算的推力与厂商提供的推力特性曲线进行了对比。结果表明,采用CFD计算和分析方法来研究喷水推进系统推力性能是可行、可信的。

导叶叶片数对喷水推进泵瞬态特性的影响

为揭示喷水推进泵不同导叶叶片数时的瞬态特性规律,基于DES混合模拟和FEM声学有限元方法,对喷水推进泵流场和声场进行数值模拟,并进行试验,验证了瞬态特性数值计算方法的准确性,研究了不同导叶叶片数(Z=5,6,7)对喷水推进泵推力、压力脉动、内流诱导噪声等性能的影响规律.结果表明:随着导叶叶片数增大,喷水推进泵推力先减小后增大,流量逐渐减小,转矩逐渐增大;导叶叶片数对叶轮出口压力脉动分布规律影响较小,对压力脉动主频处幅值有较大影响,轮毂处压力脉动幅值受导叶叶片数增大先减小后增大,轮缘和流道中心处幅值随着导叶叶片数增大逐渐减小;导叶叶片数变化会改变内流诱导噪声主频,增大导叶叶片数有利于降低喷水推进泵内流诱导噪声主频处幅值和总声压级.

叶片数对喷水推进器性能影响的计算流体动力学分析

分析和界定了喷水推进器数值计算所需流场控制体。联用结构化网格和非结构化网格对该流场区域进行离散。选择切应力输运(Shear stress transport,SST)二方程紊流模型,采用稳态多参考系方法进行数值计算。根据实船试航时泵转速和航速,计算"船—泵"匹配特性线上六个工况点对应的功率和推力,并与设计单位提供的精确设计值进行比较,在分析网格无关性的基础上检验了数值计算方法的可信性。在此基础上从三个方面分析和比较了该喷水推进器:叶轮叶片数从5叶变化到7叶时对Stodola滑移系数和喷水推进器外特性的影响;导叶体叶片数从9叶变化到13叶时对叶轮出口流体整流结果的影响以及由此引起的流体动力性能的改变;叶轮和导叶体15种不同叶片数匹配时在给定工况下各自对应的流体动力性能数据。结果表明,在给定运动参数工况下,随着叶轮叶片数增加,Stodola滑移系数增加,喷水推进泵扬程增加,产生的轴向推力和消耗的轴功率也增大,效率下降;导叶叶片数增加时,喷口出流的旋转作用减弱,11叶后再增加已无明显改进,导叶为10叶和11叶时喷水推进器性能较接近,对应扬程和推力均较12叶和13叶时大;叶轮为5叶时与9叶导叶组合使整体性能最佳,而6叶和7叶叶轮均是与11叶导叶匹配时性能最佳。

混流式喷水推进泵水力设计和性能预报

基于Matlab-Simulink平台开发了一套混流式喷水推进泵参数化水力设计程序,能快速优质完成混流式喷水推进泵设计时轴面投影图绘制、过流面积检查、流网绘制和逐点积分法叶片绘型等环节.采用CFD技术,通过几何建模、网格划分、边界初始和数值计算等步骤实现了对所设计混流式喷水推进泵的扬程、功率、效率和抗汽蚀性能的快速预报,并根据泵内具体流动细节为进一步改善结构、优化性能提供依据.通过实例阐述了混流式喷水推进泵CAD设计和CFD水力性能预报的各个环节,结果表明:基于此程序设计的混流式喷水推进泵达到了设计要求.

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。