调距桨在800 kW拖船全回转导管桨上的应用研究

本文着眼于全回转港作拖船变工况使用的特点,系统分析了螺旋桨的工作特性,结合实船需要提出了将可调距螺旋桨与全回转导管桨结合设计的研究方向,并通过开展水动力分析、调距机构研发、机电一体化研究等工作,实现了可调桨在全回转导管桨上的应用,为同类船舶应用研究提供了借鉴。

大角度斜流下螺旋桨与导管桨尾流场特性

为探究大漂角斜入流下螺旋桨与导管桨的尾流特性,基于延迟分离涡模型,对进速系数(J=0.4)及大漂角(β=45°,60°)斜入流下螺旋桨与导管桨进行了数值模拟.研究发现:螺旋桨尾涡系整体偏斜程度比导管桨更高,导管桨后尾涡整体分布区域产生明显折角现象.斜流下尾流场表现出更高的复杂性,迎流侧与背流侧涡系间演化进程出现差异,螺旋桨该特性表现更加明显,而导管桨背流侧导管前缘会因流动分离产生局部脱落涡并向下游传输.导管桨的部分动能转化为导管推力而使尾涡整体湍流动能略低于螺旋桨,这一现象随着漂角的增大而更加明显.相较于螺旋桨,导管桨在大漂角斜流下能够保持更好的操纵稳定性.从尾流场特性的角度分析大漂角斜入流对螺旋桨与导管桨的影响,以探究导管桨在斜流下能够保持更好的操纵稳定性的理论依据.

中型气垫船导管桨静力特性及稳定性分析

导管桨结构与飞机薄壁结构类似,而国内不具备成熟的导管桨设计标准。针对某中型气垫船导管桨结构,分析传力路线,建立导管桨有限元模型,采用有限元方法开展了8种工况下的静力特性和稳定性分析,并且研究了不同蒙皮压力对部件应力水平的影响。结果表明:导管桨在各工况下应力集中区域均位于前拉杆及其接头的连接区域,不同蒙皮压力对该结构重要部件的应力影响较小;最大位移变形位于航左上舵承区域,可达7.123 mm;并且结构不会发生屈曲失稳。该研究结果得到了结构薄弱区域,可为后续结构优化提供参考。

螺旋桨和导管桨尾流冲刷的试验研究

通过对400 rpm、500 rpm和600 rpm三种不同转速条件下导管桨及螺旋桨的尾流冲刷开展试验研究,对冲刷后的沙坑进行测量,构建各时刻高程点阵获得沙坑几何形状。经过对比分析发现:随着冲刷的发展,冲刷坑慢慢趋于稳定,稳定后的冲刷坑并不沿轴线对称,其最大冲刷深度和最大沉积丘高度分别位于轴线的两侧。随着转速的增加,冲刷愈发剧烈,形成更深和更长的尾流冲坑,形成更高的沉积丘。在相同转速条件下,导管桨的冲刷坑比螺旋桨的冲刷坑更长、更窄和更浅。

带前缘结节叶片导管桨尾流不稳定性分析

导管桨的尾流不稳定性在其性能评价中非常重要,不但是其能否提供稳定推力的保证,而且也与螺旋桨的尾流噪声直接相关。为了改善导管桨的尾流,提高尾流稳定性,并优化导管桨的流场脉动,根据座头鲸鳍肢前缘结节的仿生原理,对导管桨叶片的导边进行改进,提出了两种仿生桨型,采用IDDES湍流模型对低进速系数下常规导管桨和仿生叶片导管桨进行数值模拟,探究叶片构型对导管桨性能和尾流不稳定性的影响。计算结果表明,前缘结节可以有效降低叶片受力波动的幅值和叶片所受合力的主频域峰值,具有较大结节的叶片对导管桨尾流有明显的优化作用,在尾流远场中扩大了流动稳定区,延后了尾流处涡破碎的发生,改善了能量谱密度的频域分布。进一步,大前缘结节叶片导管桨应用在低速工况下时,可以大量减少尾流泄涡区域的二次涡产生,这是由于前缘结节提升了相邻涡互感的强度,使得尾流更加稳定,而小结节叶片仿生桨型对导管桨尾流则无明显优化作用。研究方法和成果可为螺旋桨尤其是导管桨尾流不稳定性研究提供参考,不仅验证了前缘结节在导管桨叶片应用的合理性,而且揭示了其优化尾流稳定性的机理。

轮缘推进器与导管桨水动力及能量损失特性对比研究

作为船舶推进领域的一项卓越应用,轮缘推进器(RDT)具有诸多优点和广阔的应用前景。RDT的结构类似于导管桨(DP),两者主要都由叶片和导管构成。然而,RDT和DP却存在一些结构上的区别,这将引起水动力性能和能量损失分布出现明显的差异。本文采用计算流体力学(CFD)方法,结合SST k-ω湍流模型和熵产理论分析方法对RDT与DP进行数值模拟对比研究。研究结果表明:RDT在全进速范围内比DP具有更高的推力与扭矩,但效率低于DP。二者的能量损失与流动分离、流动摩擦和涡流等不良流动因素密切相关,造成二者能量损失的主要原因为湍流耗散。此外,RDT在全进速范围内比DP也具有更高的熵产。研究结果揭示了二者的水动力及能量损失特性,为其优化设计及能量损失识别提供参考。

固定架对导管桨敞水性能的影响分析

导管桨可比开式螺旋桨提供更大的推力。根据某水下清污机器人的结构特点,提出了一种带有标准导管19A及固定架的导管桨,将螺旋桨电机安装在固定架的电机舱内,固定架的存在将影响导管桨的水动力性能。为此,利用STAR-CCM+对含固定架的设计导管桨进行了水动力性能分析。数值模拟结果表明:增大固定架套筒的直径会降低导管桨的推力,通过改进电机舱端部形状,能在较高进速系数下有效提高其敞水性能。

基于分离涡模拟方法的导管桨近尾流场及尾涡特性分析

基于分离涡模拟(DES)方法对设计工况下导管桨的近尾流场及尾涡特性进行数值模拟.数值计算中选用Spalart&Allmaras湍流模型封闭N-S方程,采用滑移网格技术及混合网格划分方法完成导管桨敞水性能数值计算.通过分析导管桨瞬态尾流场及尾涡空间结构发现:近尾流场中螺旋桨半径区域瞬态诱导速度大,尾流中分布着连续漩涡结构,尾流加速作用明显.导管桨尾涡主要由导管剪切层涡、叶片涡系及毂涡组成,叶片涡系中包含叶梢涡、叶根涡、毂涡及相邻梢涡带之间诱导产生的S形二次涡;导管桨尾涡结构中多重涡系之间产生复杂干扰,尾涡形态出现融合、扭曲、分解并逐渐扩散.

定子参数变化对前置定子导管桨性能的影响

采用RNG(Re-Normalisation Group)k-ε两方程模型对前置定子导管桨湍流特性进行数值模拟,并分析其水动力性能.通过与试验结果和势流理论结果的对比,验证了黏流理论预报结果的准确性和有效性.对不同定子安装角、不同定子翼型切面厚度以及不同定子叶片数目的前置定子导管桨敞水性能进行黏流理论预报,并分析了这些几何参数对前置定子导管桨性能的影响规律.

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。

CFD在“机电一体化”导管桨性能分析及优化设计中的应用

将计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)应用于"机电一体化"导管桨水动力性能分析和优化设计的全过程。对某后置定子式导管推进器敞水性能进行计算,在大范围进速系数下计算推力系数和力矩系数均与试验值吻合良好,检验计算方法的有效性。对初始设计导管桨水动力性能采用同样的方法进行计算,包括从流体力学的角度计算确定导管的主要尺寸,并结合网格类型和网格密度的影响分析了计算结果的有效性,分析设计工况下未缠绕线圈的环对间隙流场特征和导管、桨以及整体水动力性能的影响,提出将环变短变厚及相应改变叶片型值的改进设计思路,以改善间隙流动,提高敞水效率。对再设计导管桨设计工况和非设计工况性能进行计算,将环表面压力分布和导管桨推进性能与初始桨进行了比较,并利用水动力试验值再次检验了计算结果。结果表明:两次利用试验值校验计算值均吻合良好,说明将CFD用于导管推进器初始设计和分析是有效的。间隙径向距离大,间隙内泄压和局部滞止流动区域范围也大;环轴向距离长,环两端的间隙内流动旋涡程度也大。环的存在对导管桨导管产生推力是有利的,但对叶片产生推力是不利的,使导管桨敞水效率降低。再设计导管桨桨的推力系数比初始设计导管桨高、力矩系数低,敞水效率要高,说明改进方向正确。

斜流下导管桨水动力性能及流场特性数值分析

针对真实条件下导管桨多工况运行问题,本文基于分离涡模拟方法对多个斜流角下导管桨水动力性能进行了数值预报。采用滑移网格技术建立了三维黏性、不可压缩的非定常数值计算模型,对比了直流状态和斜流状态下导管桨水动力载荷和流场特性。数值研究表明:设计工况、小斜流角状态下导管桨的推进效率会有小幅提高,单桨叶的水动力载荷随着斜流角的增加而非定常性增强,尾流背流侧导管前缘会因流动分离产生局部漩涡并向下游传输,迎流侧和背流侧尾涡演化进程存在明显差异,斜流状态下的主流效应对整体尾流场产生切向分量作用加速二次涡的产生与演化。

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。

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。

影响导管桨内部流场的几个因素

用理论方法计算导管桨的内部流场,研究几个重要因素对内部流场的影响,以期获得导管桨内部的流体运动规律.用迭代方法分析螺旋桨和导管的相互影响,迭代计算结束后求解螺旋桨和导管表面的偶极强度和源汇强度,根据蒙瑞诺公式计算螺旋桨和导管的诱导速度,即可得到导管桨的内部流场.以面元法为数值求解方法,编制计算程序,研究影响导管桨内部流场的几个因素,包括螺旋桨的盘面比、叶数和导管的形状、位置.结果表明,上述参数对螺旋桨内部流场的大小和周期均有很大的影响.

前置定子导管桨非定常干扰力的理论分析与数值模拟

文章首先对前置定子导管桨非定常干扰力进行了理论分析,给出了桨叶、定子及导管非定常干扰力脉动频率的计算公式。然后,采用RANS方法对带前置定子导管桨的非定常干扰力进行了数值模拟。理论分析表明:带定子导管桨水动力(矩)的脉动频率以转子叶频为基频,轴向力(矩)与横(垂)向力(矩)的脉动频率不会同时出现;轴向力(矩)的脉动频率一般较高,横(垂)向力(矩)可能存在相当低的脉动频率。CFD模拟结果表明:水动力脉动频率与理论值一致;轴向力最大脉动幅值并不在最低脉动频率处;转子横向力脉动主要由低频贡献,而定子及导管的横向力脉动则包含了较丰富的频率成分。

前置定子叶片周向弯曲对导管桨非定常特性的影响

采用数值计算方法研究了均匀来流下定子叶片周向弯曲对前置定子导管桨非定常特性的影响。首先通过对比计算结果和试验结果,验证了数值计算方法的可靠性。再采用该方法对不同型式的定子周向弯曲开展了非定常力分析。计算结果表明,定子弯曲对效率影响不大,但是对非定常特性影响明显。转子推力脉动峰值频率为叶频及其倍频,定子周向弯曲后转子推力脉动幅值均减小,后弯10°时转子推力脉动幅值降低46%。

带前置定子导管桨非定常力特性计算分析

本文采用数值求解RANS方程的方法对带前置定子导管桨进行了数值模拟,计算了非均匀来流下带前置定子导管桨的非定常力,研究了来流周期数和转定子叶数对带前置定子导管桨转子非定常力的影响规律。结果表明:转子的非定常力主要由转子的进流决定;转子的进流同时受到非均匀来流和定子叶片数的影响;高周期数的非均匀来流诱导的非定常侧向力幅度要小于相同脉动幅度的低周期数的非均匀来流诱导的非定常侧向力幅度;转定子叶数要适配以减小转子的非定常力。本文的研究结果可为低激振导管桨设计及其非定常力特性分析提供基础。

导管桨的流动分析与性能预测

对导管桨的流动特性进行了详细分析 ,根据分析结果对其性能曲线进行了预测并与已知的图谱进行了对比。结果表明 。

喷水推进轴流泵与导管桨

对喷水推进轴流泵与导流管螺旋桨(简称导管桨),从结构特点、功能效果、性能参数、设计要求等方面进行了分析比较,论证导管桨就是高比转速喷水推进轴流泵.同时指出,借鉴喷水推进轴流泵的设计思路,可进一步完善导管桨的设计方法.