基于IDDES的螺旋桨叶空化及梢涡空化数值模拟

为了预测船舶螺旋桨运转时产生的叶空泡及梢涡空化现象,采用了计算流体力学对延迟分离涡修正的方法-改进延迟分离涡湍流模型及Schnerr-Sauer的空化模型,计算了PPTC螺旋桨敞水性能、叶片空泡、尾流梢涡空化等。将数值计算结果与试验数据进行对比,分析结果显示数据吻合较好,验证了湍流模型数值计算的准确性。计算结果表明,随着进速系数的增加,桨叶片空泡面积逐渐减小,桨叶导边处的空泡比随边处的空泡减少明显。当达到某一临界值时,空泡区域由吸力面转向压力面。桨尾部梢涡空泡融合现象会随着进速系数增加而减弱。

螺旋桨梢涡流场的DES模拟（英文）

文章应用分离涡模型(DES)对螺旋桨尾流中梢涡流场分布进行了数值研究。为准确模拟螺旋桨梢涡流场的信息,应用全六面体网格对螺旋桨计算域进行网格划分,通过迭代计算确定螺旋桨梢涡涡核的位置。为避免数值离散误差,对梢涡区域进行了网格加密处理。为了研究螺旋桨梢涡空间形态,文中采用涡核识别的"Q准则",对螺旋桨梢涡等值面进行定义。计算结果表明,该文建立的尾流中梢涡流场分布数值模拟方法能够准确预报出螺旋桨梢涡流场的分布及涡核形状,与实验测量结果相符。

基于自适应网格技术的螺旋桨梢涡空泡数值模拟

基于自适应网格技术对敞水和船后螺旋桨梢涡空泡开展计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)数值模拟研究,分析网格尺寸对梢涡空泡计算精度的影响。敞水计算结果表明:螺旋桨梢涡空泡对网格尺寸敏感;相对于传统的固定区域加密方法,采用的基于Q准则的自适应网格加密方法能够高效地加密梢涡区域,显著提高梢涡空泡计算精度,得出与试验相似的细长形梢涡空泡尾迹。螺旋桨叶下游不同位置的涡量和压力分布显示:自适应网格得到的梢涡中心涡量更强、压力更低。船后工况的模拟结果显示:自适应网格适用于船后工况,能够给出与模型试验一致的螺旋桨梢涡空泡形态。

泵喷推进器梢涡空化计算方法

在泵喷推进器梢涡流动数值计算中,转子梢部涡系对转子梢部附近网格质量要求极高,为了准确计算转子梢涡空化,本文首先完成梢涡空化观测试验,并根据空化试验条件布置数值计算,分析常用多通道周期性结构网格在计算准确性上的不足,进而在其基础上,结合梢涡流动特点,提出一种在转子域中进行局部网格重构的方法。通过数值计算结果与空泡观测试验结果对比显示,本文所提出的计算方法既能够满足梢涡空化计算对局部网格质量的超高要求,又能以较少的网格量准确预测梢涡空化。

螺旋桨梢涡及梢涡空泡数值模拟

以PPTC(Potsdam Propeller Test Case)桨为研究对象,探索了螺旋桨梢涡及梢涡空泡的数值模拟方法。通过梢涡区域的划分及网格加密,对螺旋桨无空化流场进行了数值模拟,成功捕获了梢涡;然后基于均质混合流模型和Zwart-Gerber-Belamri空化模型对空化流场进行了数值模拟;并将计算结果与试验数据进行了广泛的比较和分析,以校验计算网格和计算方法。研究表明:无论片空泡还是梢涡空泡的计算结果均与试验观测吻合良好;同时,所得螺旋桨推力和扭矩系数也与试验值符合良好;有效地实现了梢涡捕捉及梢涡空泡模拟。同时指出,水中含气率对推力和扭矩系数的影响大于空泡形态。

梢涡空化CFD数值方法

针对梢涡空化问题,应用雷诺平均的N-S方程并结合改进VOF(volume fraction)模型,对椭圆形水翼梢涡空化特性进行了研究,采用的湍流模型为代数雷诺应力模型.为减小网格离散误差,计算中对梢涡处的网格进行了加密.对未发生空化时梢涡内轴向速度和切向速度分布进行计算,为了准确模拟梢涡涡核内系统旋转和流线曲率影响,将旋转和曲率修正方法应用于湍流模型中,发现经过修正的湍流模型明显提高了预报精度,与实验结果吻合较好,而未经修正的湍流模型过高预报了梢涡内湍流粘性耗散.在此基础上,结合改进VOF模型对梢涡空化的消失空泡数进行了预报,计算结果与实验测量结果相符.

三维水翼初始梢涡空泡数的尺度效应

针对梢涡流场和初始梢涡空泡数的尺度效应问题,利用大涡模拟(LES)湍流模型对三维水翼的梢涡流场流速进行模拟计算;为减少误差,对梢涡流域网格进行了局部加密处理,对未发生空化时梢涡内的轴向速度和切向速度进行计算.结果表明,LES湍流模型的流场流速计算结果与实验值吻合较好.同时,介绍了经典初始梢涡空泡数尺度效应公式的推导过程,并利用数值计算的速度环量和涡核半径修正尺度效应公式.

均流中PPTC螺旋桨梢涡空泡数值预报（英文）

文章采用Sauer空化模型,研究了网格类型和湍流模型对均流中螺旋桨梢涡空泡数值模拟的影响,研究表明,现有的空泡模型适合于螺旋桨梢涡空泡的数值模拟,其中梢涡空泡区域网格密度是关键,文中提出了一种合适的梢涡空泡区域网格加密方法。对PPTC螺旋桨全湿流和梢涡空泡进行了数值预报,螺旋桨梢涡空泡形态与试验结果进行了对比,并应用涡判据"Q准则"和"λ2准则"分析了梢涡与梢涡空泡的流动特征。全湿流中梢涡区域的涡量随周向的分布呈现单峰特性,最小涡量在涡心处,而空泡流中梢涡空泡区域的涡量随周向的分布呈现双峰特性,最小涡量不在涡心处。

基于凹槽结构的泵喷推进器梢涡控制效果及计算方法

为了降低泵喷推进器的辐射噪声,借鉴航空发动机"处理机匣"技术,在泵喷推进器导管内壁上开设凹槽结构,达到降低泵喷推进器转子梢涡强度、抑制梢涡空化的目的。针对某型泵喷推进器,采用结构化网格,对比分析了无凹槽和有凹槽喷泵喷推进器的梢涡强度,结果显示,导管凹槽能够有效削弱梢涡强度;分析了湍流模型、网格数量和时间步长对计算结果的影响,初步建立了导管凹槽梢涡抑制效果的数值计算方法,研究结果为泵喷推进器梢涡控制提供了新的技术路径和技术支撑。

实尺度螺旋桨抗唱音削边对梢涡空泡起始影响试验研究

修削桨叶是预防实船螺旋桨唱音发生较为常用的手段。为了研究抗唱音削边对实桨梢涡空泡性能的影响,以实尺度螺旋桨梢部的局部模型(0.9R~1.0R)为研究对象,采用不同梢部加工工艺制作模型,在高速空泡水筒中观测梢涡空泡起始和形态。试验结果表明,合适的抗唱音削边处理有助于改善梢涡空泡性能。自动削边和手动削边二者效果相当,但手工削边质量依赖工人手艺,容易破坏剖面翼型和改变剖面攻角,有时会导致涡唱现象发生。建议对实尺度螺旋桨梢部采用数控机床自动削边加工。

三维水翼梢涡气核运动特性的数值模拟

针对三维水翼梢涡处流场和气核运动特性的问题,采用LES湍流模型和DEM模型进行数值分析。对有攻角水翼梢部进行网格加密,成功捕捉到梢涡结构,在这个基础上添加DEM模型构建的气核,研究气核在梢涡影响下的运动规律。数值结果表明:该方法很好地模拟了带导流罩水翼梢涡形成与发展的过程,得出了直径为100μm的气核在梢涡影响下的迁移轨迹,以及在迁移过程中表面压力、运动速度等的变化特性。该研究结果为梢涡空化初生的机理建立了很好的基础。

梢涡的初生空化及其发生位置

梢涡的初生空化及其位置的判断是一个非常复杂的问题。这是因为人们对近梢迁移涡的结构还不甚清楚,对迁移涡导致空化的条件还缺乏足够的认识。本文根据迁移涡结构的分析,讨论了近梢的涡心半径、涡心旋度及紊流粘滞系数,从而提出了梢涡初生空化的理论分析,这一分析包括了对梢涡初生空化位置的预测。分析表明,梢涡的初生空化数σ_t与雷诺数R_e、攻角α关系密切。

螺旋桨尾流中螺旋梢涡声场的解析计算

通过将螺旋桨尾流中的螺旋梢涡近视地看成具有螺旋对称性的圆柱螺旋涡丝,本文推导出了毂涡和五根螺旋梢涡辐射声场的解析解,以及在给定参数下的数值仿真结果。计算表明速度场和压力场都是时间的基频和倍基频函数,压力脉动的特性得到体现。

三维水翼梢涡空泡和片空泡的雷诺数影响试验研究

螺旋桨空化是影响船舶隐身性能的一个重要因素,其中片空泡和梢涡空泡是两种主要的空泡类型。由于空化现象的复杂性,当前在工程实践中对螺旋桨空泡的预报主要是依靠模型试验。由于无法满足全相似律,如在缩比模型试验中难以满足雷诺数相似,其引起的尺度效应是影响预报精度的重要障碍。为此,需要引入相关的修正方法。针对一个给定尺度的三维水翼进行了不同攻角、不同水速下梢涡空化及片空化的试验来考察雷诺数的影响。试验在中国船舶科学研究中心的循环水槽进行,采用了高速摄影与水声设备。试验结果为建立基于模型试验的螺旋桨空化实船预报方法提供了依据。

无梢涡螺旋桨试验研究

本文根据螺旋桨的升力线理论,分析了螺旋桨叶梢产生梢涡的机理,通过在叶梢处的截面上安装一个与螺旋桨同轴旋转面相切的弧面封板所进行的螺旋桨敞水试验,来验证叶梢安装叶片可使叶梢不产生旋涡,减少叶梢处能量损失,得出了初步的结论。

七叶大侧斜螺旋桨空泡特性及梢涡演化数值模拟研究

为研究七叶大侧斜螺旋桨尾流场及梢涡特性,基于延迟分离涡方法(DDES)建立了螺旋桨空化流场数值预报模型,为验证所建立数值模型的准确性,进行了多套不同尺度网格的不确定性分析,同时将非定常流动中螺旋桨(VP1304)螺旋桨空泡及梢涡特性计算结果与试验结果进行了对比。基于该模型对七叶大侧斜螺旋桨的尾流场及梢涡特性进行了数值分析,计算结果表明:本文所建立的数值模型精度较高,可以准确地捕捉到梢涡空泡及梢涡尾流场特性;同时DDES方法相比RANS方法在对复杂湍流流动的捕捉能力更强,更适用于螺旋桨梢涡捕捉;尾流场网格加密对尾流场模拟及准确捕捉梢涡十分重要,但对螺旋桨水动力性能影响不大;尾流区域的轴向速度场可以分为加速流动区和自由流动区,进速系数越小,自由流动区与加速流动区之间的界限向外扩张越明显;E1619桨在重载工况有明显的梢涡空泡产生,而轻载工况空泡面积较小且无梢涡空泡发生;梢涡在向下游发展过程中会发生相互融合,进速系数越大,融合发生得越晚,梢涡强度也越小;七叶大侧斜螺旋桨在尾流区域会产生一个分支涡,分支涡起始于吸力弯曲面下缘,且与梢涡呈一定的夹角,进速系数越大,夹角越小。

考虑气核生长溃灭效应的螺旋桨梢涡空化初生数值模拟研究

梢涡空化是螺旋桨最早发生的空化类型,其一旦发生会显著增强舰船辐射噪声水平.因此,螺旋桨梢涡空化初生的预报是军舰临界航速确定的关键,长期以来受到船舶领域诸多专家学者的重点关注.微观气核受涡心低压作用而发生暴发式生长是梢涡空化初生的重要机制,而传统欧拉框架下的宏观空化模型用经验参数模化了微观气核的影响而无法对该过程准确模拟,影响对螺旋桨空化初生的准确预报.为了弥补传统模拟方法的不足,本研究发展并使用一种基于气泡动力学并考虑水相可压缩效应的欧拉-拉格朗日空化初生数值预报方法对螺旋桨梢涡空化初生进行了数值模拟研究.与实验结果对比表明,该模型能够准确地预报螺旋桨梢涡空化初生.此外,本研究不仅从微观气核角度探究不同来流气核尺寸对空化初生的影响,还进一步研究梢涡流动特性对气核演变的影响机制,初步探究初生空化在螺旋桨梢涡流场中的发声机理.在空化初生光学判断准则下尺寸越大的气核越容易被梢涡捕获而暴发式生长.气核在梢涡卷吸作用下逐渐靠近涡心低压区.在涡心低压区的持续作用下气核开始暴发式生长,并在半径达到最大后迅速收缩溃灭,产生强烈的正声压脉冲信号.

三维水翼梢涡流场数值研究

针对三维水翼梢涡流场和梢涡空泡初生的问题,分别建立k-ω,DES和LES模型,对水翼的梢涡流场进行计算研究。为减少误差,在网格的处理上对梢涡流域进行局部加密,对未发生空化时梢涡内的轴向速度和切向速度进行计算,发现LES模型的计算结果与实验值吻合较好。在此基础上,讨论尾涡的卷曲对梢涡压力场的影响,提出了使用气泡静力平衡方程计算初始梢涡空泡数的方法。

湍流模型在对转桨梢涡模拟中的适用性分析

为了研究对转桨梢涡的演化规律,通过数值模拟方法对对转桨梢涡进行研究,分析不同湍流模型(雷诺平均数值模拟(RANS)、分离涡模拟(LES)、大涡模拟(DES))对对转桨梢涡数值模拟的影响。采用重叠网格实现对转桨反向旋转的运动指定,并针对不同的湍流模型完成相应的边界层网格处理。分别采用上述3种模型对对转桨的敞水水动力性能进行预报。在完成对转桨敞水水动力特性计算的湍流模型验证后,对转桨梢涡进行数值模拟。通过对比,上述湍流模型的计算结果和实验数据吻合良好,RANS模型的计算误差最小。结果表明:在相同的网格精度和时间精度下,RANS和DES湍流模型对流场的复杂涡结构的计算结果较差,对对转桨梢涡细节计算精度均较低。采用LES模型的计算结果更完整的显示了对转桨梢涡结构,能够满足对转桨梢涡及尾流场非定常流动的精细研究和分析的要求。

水翼叶梢涡空化实验研究进展

针对螺旋桨、水轮机以及导管桨等叶片的梢涡空化现象,国内外学者开展了一系列相关实验研究。本文对梢涡空化起始(或初生)、发展与溃灭(或消失)等3个阶段的实验研究进展及成果进行综述,梳理未来的研究方向及关键问题,为梢涡空化研究提供参考。关于梢涡空化初生问题,基于旋涡理论模型及流场测量技术,对不同翼型的梢涡结构特征进行分析,根据空化发生的相变条件(即气核、低压以及低压作用时间),初步认识了梢涡空化发生机理;关于梢涡空化发展问题,以辐射噪声骤增为典型特征,借助空泡图像的高速摄影及声学信号同步采集技术,研究梢涡空化形态及对应的辐射噪声特征,通过进一步解释“涡唱”现象,深入认识了梢涡空化发生机理;关于梢涡空化溃灭问题,溃灭发生位置一般远离桨叶等水力机械,对结构物的振动与剥蚀影响很小,本文不作详细阐述。此外,对梢涡空化初生的准确预报,一直是相关理论研究成果应用于工程实际所面临的一个重要问题。归根结底,主要是影响梢涡空化关键参数(比如载荷、雷诺数和水质等)的尺度效应问题和梢涡空化初生预报公式逐渐完善的问题。