机匣开槽控制喷水推进器不稳定流动的数值研究

针对喷水推进器小流量工况下的驼峰区不稳定流动,采用计算流体力学方法研究了其失稳特性。结果表明,随着流量的减少,推进泵的扬程和效率显著下降,扬程曲线在0.42Qd~0.8Qd范围内呈现出正斜率的驼峰特性,同时内部流场变得紊乱,并出现流动分离和回流等现象。为了改善这一不稳定流动,采用了机匣开槽技术进行流动控制,使驼峰现象得到明显改善。在最佳槽体结构参数下,深度失速工况点的扬程和效率分别比原模型提高了约147.6%和70.3%。机匣开槽一方面能够对进口来流进行整流,起到减少预旋和增大轴向进流速度的作用,另一方面可以抑制主流区漩涡的形成以及叶轮进口位置的低频压力脉动。

喷水推进器进水流道格栅流固耦合特性研究

为了研究格栅部件对喷水推进船舶效率的影响,本文拟采用流固耦合的数值计算方法系统地对格栅表面受力及其强度特性进行计算,结合有限元方法和流固耦合理论,以STARCCM+和ABAQUS软件为工具,根据目前已知的格栅剖面设计方法,对目前格栅的剖面形式进行改进,形成新型对称剖面形式的格栅。基于上述计算流体力学与流固耦合计算方法对其进行周围流场、结构静力强度、结构动力强度进行计算与分析。结果表明:对称形式的格栅剖面对于降低格栅的变形与应力水平有一定的帮助,采用新型对称形式的剖面结构使格栅总体变形模式发生了变化,但是最大变形位置与最大应力出现在格栅的位置未发生明显变化,新型对称剖面形式格栅具有比较好的静强度与动强度特性,各栅条均匀承受流体载荷。

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.

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。

浸没式喷水推进器脉动流场特性数值分析

为分析浸没式喷水推进器的流场脉动特性,分别以前置定子式和后置定子式喷水推进器为对象,完成船后推进器瞬态流场的数值仿真;分析导管、定子和转子脉动压力、脉动推力特性。结果表明,对前置定子式喷水推进器而言,静止部件的推力主要由导管产生,导管壁面的压力脉动远大于定子;受转子和定子相互作用的影响,转子和导管内壁相互作用区域的流场脉动最强,且体现了转子特征。对后置定子式喷水推进器而言,由于定子后置其对转子进流影响减弱,使得各部件脉动流场均体现了转子信息,且转子脉动力幅值增加。结合不同结构形式浸没式喷水推进器的脉动流场分析结果可知,后置定子式推进器的流场脉动量要低于前置定子式推进器;且前置定子式喷水推进器的脉动流场特征较后置定子式喷水推进器更为复杂,亦不利于推进器的降噪设计。

艉板式与浸没式喷水推进器尾迹脉动压力试验研究

喷水推进器的喷射流尾迹对船舶隐身特性造成不利影响,目前缺乏喷水推进船舶喷射流尾迹的测试方法及特性研究。本研究搭建了喷水推进船舶尾迹脉动压力测试试验台,分别对艉板式与浸没式推进器喷射流尾迹开展脉动压力测试,基于不同测点位置、不同航行状态下的尾迹脉动压力频谱结果,对比了艉板式喷水推进器和浸没式喷水推进器的尾迹频率与振幅特性,并基于HHT方法细致分析了航行状态下的喷射流尾迹发展规律。发现在靠近水面的浅水位置,相较浸没式推进器,艉板式推进器的喷射流入水显著增强尾迹强度和影响范围,而在深水位置,喷射流强度整体差异不大。此外,在航行状态下,由艉板式推进器喷射流引起的波浪强度也明显高于浸没式推进器,结论为浸没式喷水推进技术发展与推广应用奠定了基础。

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。

不同喷水推进器进水流道综合性能分析

为掌握喷水推进器进水流道综合特性,以同一喷水推进泵所对应的3型进水流道为对象,分别分析不同进水流道在结构、水力性能和声传播特性上的差异,并针对不同进水流道截面变化对声传播特性的影响进行分析。从流道的圆弧段出口到倾斜段的进口,2型流道截面面积均呈现先减小后增大趋势,1型流道的截面面积基本不变。从水力性能角度讲,3型流道性能没有显著差别;从声传播特性上讲,变截面流道在整个分析频段内要优于等截面流道。最后文中仅以流道圆弧段和倾斜段为分析对象,分析不同参数变化对声传播特性的影响,计算结果表明流道倾角对声传播特性影响较大。

喷水推进器内部瞬态流动特性研究

为了研究喷水推进器内部存在的非稳态流动特性,运用瞬态数值模拟计算方法,对不同工况下各航速叶轮进流面压力脉动变化规律进行了分析研究,得到以下结论:在叶轮进流面上,静水航行和海浪航行条件下的压力脉动强度沿轮毂至轮缘方向逐渐降低;在海浪条件下,叶轮轮毂处流体流动受驱动轴扰动和流道非均匀出流影响,流动更为复杂;当海浪波峰在进水口前端时,中低航速工况下,进流面流体压力波动幅度较波峰在进水口后端更为剧烈,在高航速工况下,情况反之。

喷水推进器内部稳态流场特征研究

由于喷水推进器通常焊装于航行体内部,在海浪条件下,喷水推进船舶的航行姿态会发生改变,喷水推进器的进流状态也与在静止水域中不同,加之喷水推进器特殊的弯管进流方式存在驱动轴的扰动影响,这使得喷水推进泵的进流分布出现更多变化,进流流态更为恶劣,因此分析喷水推进器在海浪条件下的内部流场特征,对于喷水推进船舶的航行安全具有极为重要的意义。

喷水推进器水下辐射噪声边界元计算方法

[目的]为减少边界条件设置的不确定性对喷水推进器水下辐射噪声计算的影响,[方法]以某喷水推进器为研究对象,提出基于边界元法一步计算来预报喷水推进器的水下辐射噪声。首先,基于计算流体力学的分离涡模拟(DES)方法计算喷水推进器的瞬态流场,并以声类比积分方程为基础,采用Virtual Lab声学计算软件将喷水推进器过流壁面的非定常脉动压力映射和傅里叶变换(FFT)转化为对应的频域噪声源。然后,以喷泵固体壁面的流体脉动声源为辐射源,采用边界元一步计算方法预报声波经流道向船底水下辐射的远场噪声。[结果]结果发现,采用边界元一步计算方法能更真实反映研究对象的客观属性。[结论]研究表明,该方法可更准确地预报喷水推进器水下辐射噪声。

船-泵相互作用对喷水推进器推进性能的影响

为研究喷水推进船快速性预报中船体与喷水推进器相互作用机理,借助于计算流体力学(CFD)方法研究船-泵相互作用对喷水推进器推进性能的影响.通过计算由k-ε湍流模型封闭的RANS方程,分别得到敞水条件下和考虑船体斜升角、纵倾等因素影响的装船后喷水推进器的三维黏性流场,敞水条件下计算结果与试验数据的良好吻合验证了数值模型和方法的可信性.不同斜升角和纵倾模型计算结果表明:船体斜升角和横倾对喷水推进器推进性能影响很小;船体尾升角和纵倾角的变化改变了船体边界层,对喷水推进器推进性能和作用因子影响很大;纵倾角由正变负,喷水推进器对船体边界层的利用增强,使流量变小,功率、推力和扬程变大;进流动量系数、进流能量系数、动量作用效率和能量作用效率均减小.喷水推进器也反作用于船体,产生使船体纵倾角减小的力矩.

斜流式喷水推进器内部三维紊流流动的数值模拟与性能分析

应用数值模拟方法研究斜流式喷水推进器内部紊流流场,基于紊流流场计算分析了其特性.采用三维贴体坐标网格对计算区域进行剖分离散,选择k-ε双方程紊流模型,应用SIMPLEC数值方法计算内流场各流动参数,进而根据流场的计算结果预测了该推进器内部泵在不同工况下的性能.计算结果与实验结果进行了对比,二者有较好的一致性.

喷水推进器流道对船舶阻力性能的影响

[目的]喷水推进船舶的阻力性能与常规船舶有着很大的不同,喷水推进器流道的存在会改变船舶尾部流场,对船舶阻力性能有着很大的影响。[方法]以FA1型三体船为计算模型,利用CFD软件STAR-CCM+,将喷水推进器流道看作附体,对比研究安装不同进流角喷水推进器流道前后船舶尾部流场变化。通过对比流道表面压力分布、船体流线的变化,阐述船舶阻力以及阻力成分产生变化的机理。[结果]结果表明:STAR-CCM+可以实现对于船舶阻力性能的预报;喷水推进器进水流道的安装会增大船舶阻力,主要为压差阻力的增大。[结结论]对进水流道倾角的优化可以增进喷水推进船舶的阻力性能。

船舶喷水推进器进水流道的参数化分析

针对喷水推进中,不同进水流道管径和不同转速对进水流道流场及速度产生影响的问题,建立了三维模型,采用计算流体力学(CFD)技术,分别对某喷水推进器进水流道长度的1倍、4倍、8倍和管径的1倍、1.6倍、2倍,以“船+进水流道+喷水推进器”的流场进行了仿真计算分析,得到不同参数下该喷水推进器进水流道出口流场的不均匀度速度云图、叶片吸力面汽蚀云图及喷口速度云图。研究结果表明:进水流道长度对出口流场的不均匀度、叶片的汽蚀、喷口速度影响较小,但进水流道管径对出口流场的不均匀度、叶片的汽蚀、喷口速度影响较大;进水流道的优化改进应适当考虑进水流道管径,以提高其工况适应能力。

喷水推进器最佳工况

为解决喷水推进器传统设计方法中目标求解设计参数在实际工作中与理论最佳工况点存在偏差,导致相应喷水推进器效率普遍偏低的问题,文中选取SDPM-450喷水推进器为研究对象,以最高喷水推进效率为目标,围绕喷水推进器最佳工况点展开效率分析,进而优化参数选取办法.首先,基于极值理论推导了喷水推进器最佳工况点的充要条件,即航速比数值上等于2倍的伴流系数;其次,运用数值仿真中的UDS反向追踪法验证了理论推导的正确性,偏差分析后确立了最终判别式为K=2εα;最后,基于判别式优化设计参数选取办法,提出了以喷嘴直径和伴流系数为基础变量的参数求解方程组,为喷水推进器的高效设计奠定基础.

喷水推进器推进性能优化研究

为了提高某摩托艇用喷水推进器的推进性能,文中对其流道和导叶进行了优化,运用CFD方法对改进的效果进行分析.以某混流泵为例,对其轴功率进行了CFD计算,不同转速时CFD计算误差在1%以内.进而运用CFD方法分析了某摩托艇用SHS1100喷水推进器的水力性能,发现其流道和第二级导叶内存在漩涡、喷口出流存在较大的旋转能量.从减小流道过流面积,以及流道背部曲率、改变第二级导叶形状等方面对其进行了优化.使喷水推进器的推力效率提高了7%,流道效率提高了5.7%,喷泵效率提高了3.3%,第二级导叶出流不均匀度降低了7.3%、出流周向动能降低了17%,并消除了流道和第二级导叶内的涡流.

一款国外喷水推进器的三维反问题改进设计

某厂家购置的国外喷水推进器装艇后与主机不匹配,不能完全消耗主机功率,导致艇航速较低。针对这一现象,在保持推进器转子叶片数、导叶数和推进器主体尺寸不变的前提下,采用三维反问题方法对叶轮和导叶进行了增载设计。研究采用CFD数值模拟方法对两推进器进行了平底船数值求解,结果表明:原推进器计算结果与自航试验吻合较好,验证了CFD数值模拟的可信性;新设计推进器解决了原推进器不能充分利用主机功率的缺陷而产生更大的推力,使预报航速从9.5kn提高到12kn,喷泵效率提高2%,喷口射流轴向能量分量提高8%。

泵喷水推进器研究进展

分析泵喷水推进器的基本工作原理及其与系统的匹配;重点讨论泵喷水推进器高效率的实现所涉及的设计问题、现代分析方法与结论以及推力计算领域的内容。介绍泵喷水推进器在转向和倒车领域的问题及发展潜力。

高比转速轴流式和斜流式泵喷水推进器推进特性分析

对比比转速同为ns=769的两个轴流式叶轮和斜流式叶轮的水力性能和推进性能,分析其做为泵喷水推进器叶轮的适用性。分析结果表明,就所研究的两个叶轮而言,斜流式叶轮的高效区更宽,当做为泵喷水推进器叶轮使用时,轴流式叶轮的结构更紧凑、最大推力更大、最大推功比也更大。因此轴流式叶轮比斜流式叶轮更适合于用做泵喷水推进器的工作叶轮。