冰阻塞环境对螺旋桨水动力和空泡影响试验研究

为了探究阻塞环境对冰区桨水动力和空泡特性的影响,辅助冰区螺旋桨的优化设计,本文在大型循环水槽中搭建冰阻塞环境下螺旋桨水动力性能和空泡特性的测试平台,测量和观察常压和减压状态下不同冰桨阻塞参数时螺旋桨及单桨叶的水动力载荷和空泡形态。试验结果表明:冰阻塞条件下的螺旋桨水动力性能是由冰桨阻塞参数、空泡环境和螺旋桨运行工况综合作用的结果,在冰块阻塞效应和邻近效应、螺旋桨抽吸作用、冰块周围回流区以及“皮鲁埃特效应”综合影响作用下冰块和螺旋桨之间会诱发连体涡空泡并导致螺旋桨水动力性能剧烈波动。

冰桨接触的近场动力学模型

在冰桨接触过程中,螺旋桨可能承受极端冰载荷的作用,对螺旋桨结构强度以及船舶的安全运行产生严重危害。为了研究冰桨接触过程中载荷的变化情况,本文基于近场动力学方法以及连续接触检测理论,建立了冰桨接触数值预报方法。为反映冰桨接触过程中真实的物理过程,针对冰桨接触问题的特殊性,本文基于接触检测理论建立冰桨接触区域识别算法。采用FORTRAN语言编制了冰桨接触数值预报程序,并以某冰区桨为例,开展冰桨铣削工况下数值预报。计算结果表明:本文建立的方法能够真实地模拟冰桨接触过程,并能获得该过程中冰载荷的动态破碎变化过程。

潜艇破冰上浮近场动力学模型

[目的]随着各国对北极地理和气候环境研究的深入,越来越深刻认识到潜艇在北极所能发挥的政治和军事价值。研究潜艇破冰上浮过程及冰载荷的动态特性,可为潜艇壳体的设计和破冰厚度的选择提供支撑。[方法]基于近场动力学方法建立潜艇破冰上浮过程计算模型。首先,详细介绍近场动力学方法用于捕捉物体断裂问题的理论基础,分析该方法用于海冰材料模拟的可行性。然后,为反映潜艇破冰上浮真实的物理过程,基于接触检测理论,建立海冰粒子与潜艇表面的接触区域识别算法,给出计算接触载荷方法。最后,将近场动力学方法与接触区域识别算法结合在一起,开发潜艇破冰上浮计算程序,以跟踪每一个时刻的破冰状态,计算海冰对潜艇壳体的作用力。并以美国DARPA潜艇模型SUBOFF为计算对象,开展潜艇破冰上浮过程数值模拟。[结果]计算结果表明:在用所提方法模拟的潜艇上浮破冰过程中,海冰的动态断裂过程与观察到的美国核潜艇的破冰上浮结果基本一致,冰载荷的动态变化与实际情况相符合。[结论]该方法能为潜艇与冰的相互作用研究提供思路,所得结果可为极地潜艇壳体结构的优化设计提供支撑。

近似模型方法在螺旋桨优化设计中的应用

为了提高螺旋桨优化设计的质量和效率,将试验设计方法、近似模型和粒子群算法相结合,建立了基于近似模型的螺旋桨优化设计的方法.首先,以螺旋桨的几何参数为设计变量和以推力系数与效率为目标函数,引入试验设计的方法对整个设计空间采样,采用定常面元法预报程序计算出样本螺旋桨的水动力性能.其次,根据采样得到的样本库建立螺旋桨几何参数和水动力性能之间的克里格近似模型.最后,结合该近似模型和粒子群算法对螺旋桨的多目标优化设计.以P4382桨和Ka0.5导管桨为例,验证近似方法应用于螺旋桨优化设计的可行性.结果表明:近似模型方法能够实现目标桨的推力系数和效率的提高,而且优化速度快.

非接触工况下冰桨干扰水动力载荷试验

由于冰块临近和阻塞效应,将在螺旋桨上产生极端水动力载荷,进而导致螺旋桨诱导的空泡、噪声以及激振力等性能的恶化。冰桨干扰作用是一个极其复杂的过程,受到诸多因素的影响,为了探究非接触工况下的冰桨干扰水动力特性,在循环水槽中搭建冰桨干扰试验台,并设计一套专门用于切削型冰模型的生成和制作的方法。通过试验重复性分析及与其他学者结果的比较,验证建立的冰桨干扰试验台的可行性。以切削型冰模型为对象,研究了非接触工况下的螺旋桨水动力载荷随冰桨间距变化的规律,探讨了不同流速对冰模型诱导的空泡的影响。试验结果表明:所建立的冰桨干扰试验方法是可行的,能够较好地用于冰桨干扰水动力试验的分析中。

四桨推进船舶螺旋桨负荷数值计算分析

针对四桨船舶内外桨负荷分配不均匀的情况,本文采用混合网格技术,对四桨船舶螺旋桨水动力性能进行了计算。分析了附体以及内外桨相互干扰对螺旋桨负荷的影响,从伴流场的角度分析了内外桨负荷不均匀的原因。研究发现:前后桨之间相互影响,内后桨处于外前桨的尾流中,所以内后桨受影响更大;与螺旋桨旋转方向相反的周向预旋伴流,可有效提高螺旋桨负荷,且伴流速度越大,效果越明显。双臂轴支架位于螺旋桨近前方,对桨前伴流场具有重要影响,合理调整轴支架角度,可以达到减小内外桨负荷差的目的。

四桨船舶螺旋桨差异化设计

为了减小四桨船舶内外桨的负荷差,本文建立了一套螺旋桨差异化理论设计方法。基于螺旋桨的理论设计方法进行了内外桨的初始化设计,并采用CFD技术和等推力法,预报船桨一体的总推力减额分数和内外桨的伴流分数。结合螺旋桨理论设计方法和面元法,形成了一套螺旋桨差异化理论设计系统。并以某四桨船舶方案为例,在最大航速工况下,应用本文的方法开展内外桨的差异化设计,并对不同航速下的螺旋桨差异化设计效果进行分析。研究表明:在最大设计航速下,内外差异化设计桨的总推力满足设计要求,负荷差由初步设计时的11.9%减小为0.61%左右,而且在18节和25节航速下的负荷差也分别由初步设计时的13.8%与13.3%减少到5.65%与3.68%。应用本文方法可有效地减小内外桨的负荷差,为四桨船舶螺旋桨设计提供了新思路。

基于多目标粒子群算法的螺旋桨多参数优化设计

螺旋桨的几何参数之间相互联系相互制约,影响着整个螺旋桨的水动力、噪声、空泡、振动等性能.同时,螺旋桨的各个性能间是相互冲突的,改善一些性能将导致其他性能的恶化.文中以节能为目的,选取了DTRC4382型桨为原桨,基于螺旋桨水动力性能的面元理论预报程序,采用粒子群算法,螺旋桨的几何参数采用B样条曲线的拟合方式,以提高螺旋桨的推力系数和敞水效率为目标对原桨进行优化设计,选取Pareto前沿上3个解作为方案桨,分析了原桨和方案桨的水动力性能的不同特点.结果表明,采用本文方法能得到较均匀的Pareto前沿解,所选方案桨的推力系数和敞水效率都得到提高.

冰载荷和纵倾角对螺旋桨强度的影响

[目的]在冰区航行对船舶螺旋桨强度的要求很高,因此对不同情况下螺旋桨的强度进行研究十分重要。[方法]基于有限元方法,以Workbench为工具,计算在冰区运行的不同纵倾角螺旋桨不同工况下的应力、应变,并在计算前开展网格收敛性研究。[结果]由分析计算结果可知:冰级越低,螺旋桨桨叶受到的冰载荷就越小,应力、应变也越小;部分工况下螺旋桨的应力、应变变化十分类似;较大的纵倾角对螺旋桨桨叶的应力、应变影响较大。[结论]计算结果可为冰区船舶螺旋桨的强度设计提供参考。

BEM/FEM耦合螺旋桨静强度计算方法

[目的]螺旋桨强度的可靠性与船舶安全航行直接相关。为了快速且准确地计算螺旋桨强度,[方法]将边界元(BEM)和有限元法(FEM)耦合开发螺旋桨强度预报程序。运用低阶边界元法程序对螺旋桨进行水动力性能计算,并使用普朗特—许力汀平板摩擦阻力公式进行粘性修正,然后将计算得到的桨叶表面压力和粘性修正力作为有限元法结构计算的面力输入。针对螺旋桨结构形状的特殊性,发展实体螺旋桨有限元结构单元的自动划分方法,运用有限元结构计算方程计算出螺旋桨在表面压力和体积力作用下的应力与位移分布。以DTRC 4119模型桨为例,对提出的方法进行收敛性和网格无关性分析,并与文献的有限元软件计算结果进行比较,以验证其有效性。[结果]计算结果表明,提出的方法能够准确计算螺旋桨的应力和位移分布。[结论]该方法避免了人工建模及有限元网格划分的过程,具有实施程序简便、计算效率高等优点,可嵌入到螺旋桨的理论设计和优化设计过程中,形成快速计算螺旋桨强度的能力,提高螺旋桨设计的效率。

基于悬臂梁法和面元法耦合的桨叶应力分布预报

为了能够快速而又准确地计算螺旋桨桨叶的应力分布,建立了基于悬臂梁法和面元法耦合的螺旋桨桨叶应力预报方法.桨叶切面上各点的抗弯剖面模数由工程力学中截面特性相关公式求解;桨叶切面所受的弯矩和离心力由离散方法求解.基于FORTRAN语言编译悬臂梁法桨叶应力预报程序,将其与螺旋桨的定常面元法性能预报程序对接.以无侧斜螺旋桨和大侧斜螺旋桨为例,预报桨叶应力分布并与有限元法计算结果进行对比.对比结果表明:两种方法计算得到的螺旋桨桨叶应力分布比较吻合,验证了本文方法的有效性.该方法可嵌入到螺旋桨的理论设计和优化设计过程中,以保证设计桨有足够的强度.

螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计

螺旋桨运转于舰艇艉后不均匀流场中,不均匀的流场对螺旋桨的空泡、噪声、振动以及水动力性能产生重要影响。而船舶螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计的目的就是在精确预报船舶艉后伴流场的条件下,合理地设计螺旋桨,使设计桨适合于所在伴流场下的运转。将伴流谐调分析法、螺旋桨侧斜及纵倾选择原则、升力线程序、升力面程序和非定常面元法程序、螺旋桨参数优化设计程序相结合,建立了螺旋桨适伴流理论设计及参数优化设计的系统,对大侧斜螺旋桨(highly skewed propeller,HSP)再设计为例,验证该系统的有效性。该系统为实现对潜艇螺旋桨的量身定制提供了理论支持。

冰柱冲击问题的数值仿真分析

为研究近场动力学(PD)方法在冰力学行为领域的应用特性及在冰破坏数值预报过程中的参数敏感性,采用常规状态型近场动力方法系统地计算分析了冰柱冲击破坏过程,并进行了参数敏感分析.结果表明:该方法模拟冰冲击过程与试验对比结果基本一致,在选定的时间步长和粒子间距下本文的计算结果收敛.海冰冲击速度、泊松比、弹性模量对海冰冲击过程影响明显,而海冰尺寸和断裂韧度对冲击过程影响较小.文章创新之处在于将状态型PD方法应用于海冰冲击问题中,弥补了键型PD方法限制海冰泊松比的缺点.

DOE方法在螺旋桨几何参数优选中的应用

螺旋桨的几何外形是通过螺距、纵倾、侧斜、拱度、弦长、桨叶剖面等几何参数来表达的,这些几何参数影响着整个螺旋桨的水动力、噪声、空泡、振动等性能。定量地给出不同半径处各个几何参数对螺旋桨性能的影响,对螺旋桨的设计有重要的指导意义。论文采用试验设计(Design of Experiment,DOE)的拉丁超立方设计方法,结合螺旋桨定常水动力性能的面元理论预报程序,分别定量地研究了不同半径处的螺距以及盘面比与0.4、0.7、1.0半径处的纵倾、螺距、侧斜对敞水螺旋桨推力系数和敞水效率的影响;同时,结合螺旋桨非定常水动力性能的面元理论预报程序及傅里叶分析方法,定量研究了不同半径处侧斜以及0.5、0.8、1.0半径处的螺距、纵倾、侧斜对螺旋桨主桨叶在给定伴流场中非定常推力的影响。研究结果表明:DOE方法能够准确分析不同径向处的几何参数对定常和非定常螺旋桨性能的影响程度。

不同螺距拟合方式对螺旋桨优化效果的影响分析

螺距是船用螺旋桨桨叶重要的几何参数,对螺旋桨水动力性能的影响较大。在螺旋桨优化设计过程中,不同的螺距拟合方式不仅得到的螺旋桨桨叶几何形状的光顺程度不同,而且优化效果也不同。本文以DTRC438X系列桨为母型,结合粒子群优化算法和螺旋桨水动力性能的面元法理论预报程序,以提高螺旋桨敞水效率和限定推力系数值为目标,分别采用B样条曲线和贝塞尔函数拟合螺距方法进行螺旋桨各剖面螺距(桨叶其它参数与母型桨相同)的优化设计。对比两种方法各自优缺点,重点分析优化后螺旋桨的敞水效率、压力分布及环量分布并考虑侧斜的影响。经对计算结果分析表明:两种方法都得到了较好的优化效果。

对转桨无空泡噪声性能预报及影响因素分析

为了研究对转桨的无空泡噪声特性,基于普通桨的噪声预报理论与声学理论建立了对转桨的无空泡噪声预报方法,将对转桨作为声源模型,在其检测点上进行不相干声源的处理的同时运用不相干声波的叠加方法,随后,从桨叶数、桨直径、前后桨间距、伴流场等四个方面因素出发,系统分析了各个因素对对转桨无空泡噪声性能的影响。结果表明:处于流场中的桨轴方向,计算总噪声值最大,在桨盘面方向由于两桨之间的扰动,载荷噪声仍是总体噪声的主要部分。不同因素对对转桨的无空泡噪声影响各有异同,为对转桨的优化设计提供了参考依据。

基于近场动力学的破冰阻力预报方法研究

为了探究破冰航行过程中海冰破坏规律及船舶的破冰阻力,本文基于船-冰接触判别算法和近场动力学方法建立破冰阻力预报模型。并同模型试验结果进行对比,结果表明:预报模型能够有效地模拟船-冰相互作用下的海冰破碎过程,并实现3 kn航速下破冰阻力预报结果误差为10.08%。在此基础下,开展不同航速下破冰阻力预报工作,发现随着航速的增加,因弯曲破坏形成的碎冰尺寸更加细小,导致冰层断裂破坏所需的能量增加,从而引起破冰阻力的增大。

集中冰载工况下的桨叶边缘强度校核方法

在冰区桨设计过程中,往往需要对其桨叶边缘区域进行强度校核,防止与冰块接触过程中桨叶边缘出现缺口,对螺旋桨的水动力、空泡、噪声等性能产生影响.为了能够快速实现桨叶边缘强度校核,基于IACS URI3规范和有限元法(FEM),建立了集中冰载工况下的桨叶边缘强度校核方法.针对螺旋桨几何结构特殊性,将桨叶沿径向、弦向以及厚度方向划分成一系列八节点六面体单元,发展了螺旋桨有限元网格自动剖分方法,可以根据加载位置合理地进行网格划分,以FEM计算集中冰载作用下的桨叶应力和变形分布.以PC3级冰区桨为例,开展了桨叶边缘强度的分析和校核.计算结果表明:在集中冰载作用下桨叶边缘区域有较大应力集中,容易造成桨叶边缘区域的损坏.

基于近场动力学数值方法的冰-吊舱推进器接触判断研究

吊舱推进器在极地船舶中的应用,可避免冰区航行中转向、调头困难等操纵问题,是极地船舶广泛采用的推进形式.在冰-吊舱推进器切削过程中,吊舱推进器受到了极端冰载荷的作用,对吊舱推进器结构强度和极地船舶的安全性带来严重的危害.为了研究不同操纵状态的吊舱推进器与冰切削时冰载荷的变化规律,首先,详细介绍了近场动力学方法研究物体断裂问题的理论基础,分析该方法模拟冰材料的可行性.基于近场动力学方法和面元法耦合推导了适用于冰破碎问题模拟的材料破坏准则和冰载荷计算方法.其次,提出了不同操纵状态的吊舱推进器与冰的接触判断方法,建立了冰-吊舱推进器切削状态的数值计算模型,实现了冰-吊舱推进器切削动态变化过程的数值仿真.最后,分析了吊舱推进器在直航、斜航以及操舵状态与冰切削时冰块破碎、螺旋桨和桨叶冰载荷以及吊舱单元整体扭矩的变化情况.计算结果表明:本文提出的不同操纵状态的吊舱推进器与冰切削时的接触判断方法能够真实地模拟冰-吊舱推进器的切削过程,并能获得该过程中冰块的破坏现象和冰载荷变化特性,可为冰区海洋结构冰载荷数值预报技术的发展、冰区吊舱推进器结构的优化设计和运营提供指导.

不同船艏类型破冰模式差异的数值预报分析

船艏形状是决定破冰船破冰性能的关键要素之一。为了探究不同船艏型线特征对破冰船破冰性能的影响,本文采用常规型近场动力学方法建立了平整冰层的无网格数值模型,提出了一种基于几何数学概念用于解决冰粒子与船体碰撞问题的接触检测算法,最后应用消息传递接口(MPI)并行技术搭建了破冰船破冰过程的数值预报方法,并在FORTRAN语言环境下编写了相关计算程序。基于该仿真程序,分别预报了传统型破冰船艏形状和非传统型破冰船艏形状连续冲破平整冰层的过程,并对传统型破冰船艏的计算结果与试验结果进行了比较,验证了本文所搭建的模型的准确性。对比了两种不同船艏破冰船的破冰模式和破冰载荷特征,分析了两种破冰船艏形状各自的优缺点。本文进行的研究对于破冰船的设计具有一定的工程参考价值。