风浪作用下船体纵摇运动对螺旋桨激振力特性影响分析

大型高速船舶在风浪中航行时会发生摇荡,导致推进效率下降,还会引发严重的螺旋桨激振力。以KCS船和KP505螺旋桨为研究对象,采用RANS方法和重叠网格技术,对无船体纵摇运动和有船体纵摇运动下的船-桨-舵系统开展了水动力数值计算分析。计算结果显示,在纵摇运动下桨盘面处标称流场的空间不均匀度基本上和无纵摇运动相当,但流场的时间不均匀度急剧增加。同时,在船体纵摇运动情况下船体阻力时均值大幅增加、螺旋桨推力时均值大幅减小。对螺旋桨水动力时域信号进行快速傅里叶分析,发现在纵摇运动时螺旋桨非定常力频谱中的峰值更加丰富,在所有峰值中以纵摇运动频率处的峰值为最大,且远大于叶频处的峰值,它随纵摇运动幅值的增大而升高。

转捩模型在螺旋桨数值计算中的应用

螺旋桨敞水性能数值计算是船舶快速性能分析的基础,其计算精度对船舶快速性预报的准确度至关重要,湍流模型的选用是保证螺旋桨敞水性能计算精度的关键。本文利用k-ωSST湍流模型和γ-Reθ转捩模型对螺旋桨敞水性能进行了计算。结果表明,在模型尺度下螺旋桨叶片表面流动的相当一部分还保持着层流状态,带有转捩能力的湍流模型对这类流动具有更强的模拟能力。

大型集装箱船节能导轮设计研究

采用CFD方法开展了大型集装箱船前置预旋导轮参数优选工作。首先参考节能装置母型设计了大型集装箱船的节能导轮参数,并进行了初步建模和水动力评估。随后开展了节能导轮的优选工作,主要针对导叶攻角、导管长度和扩展角三个参数进行了方案优选,对最终优选方案进行了评估,模型节能效果约为3%,并且预报实船节能效果约为4%,节能效果较好。通过流场分析可知,安装节能装置后,降低了螺旋桨引起的尾流旋转能量损失。项目研究可为大型集装箱船节能导轮设计参数选取提供参考。

小水线面双体船螺旋桨脉动压力预报方法研究

小水线面双体船(SWATH)因其优异的耐波性能成为当前重要的高性能船舶之一。针对某SWATH试验船,分别采用经验公式估算方法、CFD数值计算方法和船模试验测试方法对其螺旋桨脉动压力进行了预报分析。结果表明,SWATH船在无空泡状态下螺旋桨脉动压力整体较小,在早期设计阶段可以用常用的经验公式进行初步估算;CFD数值计算方法能满足实际工程需要,为SWATH船螺旋桨脉动压力计算和艉部振动控制提供了参考。

基于自研CFD求解器的螺旋桨敞水数值模拟方法研究

论文基于自主研发的船舶水动力学CFD求解器,开展螺旋桨模型敞水数值模拟方法研究.以典型螺旋桨模型为对象,设计了包括3种计算方法和3种网格处理方式的计算方案,研究不同计算方法和网格形式对计算结果的影响.通过对比分析,给出了螺旋桨敞水性能数值计算的推荐方案.最后,采用推荐的计算方案开展了螺旋桨模型敞水性能计算应用测试,计算结果与试验数据符合良好,初步建立了基于自研CFD求解器的螺旋桨模型敞水数值模拟方法.

跨域无人平台水面垂直起飞动态特性数值模拟

[目的]旨在研究跨域无人平台从水面垂直起飞过程中平台的运动及动力学特性。[方法]采用黏流CFD方法结合重叠网格技术和多自由度DFBI(dynamic fluid body interaction)运动模型,针对跨域无人平台在水面垂直起飞至空中的跨域过程的动态特性,开展数值模拟研究。[结果]模拟结果显示:在垂直起飞过程中,受无人平台上升阻力的影响,空气螺旋桨需要以相对于单桨等拉力状态更高的转速才能将无人平台拉起升离水面,且无人平台的主运动为垂向上升运动;此外,因空气螺旋桨的下洗气流与无人平台机身的耦合作用,导致平台出现了"快速低头"现象。[结论]由模拟结果可知,为保证无人平台顺利升空,在从水面至空中的垂直起飞阶段必须加入手动或自动的控制程序,以实时调整推进器的倾转角度,从而为后续跨域无人平台优化设计及控制提供有力的评估手段。

斜流下螺旋桨空泡及脉动压力数值预报研究

空泡性能是船舶螺旋桨重要的水动力性能之一。由于桨轴存在倾斜安装角,船舶在水面航行时,螺旋桨的进流条件主要为斜流工况。为研究斜流工况下螺旋桨的空泡形态及空泡脉动压力特性,论文基于黏流CFD方法针对PC456螺旋桨标模开展了斜流下螺旋桨空泡及脉动压力数值模拟研究,并与大型空泡水筒中的斜流螺旋桨空泡试验结果进行了比较。结果表明,数值预报的空泡形态、面积和平板表面脉动压力与试验观测及测量的结果吻合较好,验证了数值模拟方法的可靠性。

半浸桨动态载荷数值预报与试验测试分析

半浸桨工作时桨叶交替出入水,承受非定常动态载荷,对半浸桨及其驱动装置的结构强度产生较大影响。论文针对某六叶半浸桨模型,采用数值预报和试验测试方法,获得桨叶的六分力动态载荷,各分力的时均值和峰-峰值的对比分析表明:数值预报与试验结果的误差在10%以内。桨叶在半浸状态运转时的横向力和垂向力与轴向推力的比值以及横向弯矩和垂向弯矩与轴向转矩的比值均高于常规螺旋桨。在半浸桨的强度、疲劳评估以及驱动装置的结构设计和实船应用时需考虑动态载荷的影响。

船舶螺旋桨流场及水动力数值分析

随着数值计算和计算机技术的飞速发展,计算流体力学已经发展成为流体力学的主要研究手段,作为船舶优化设计和航行性能分析的基本工具,在船舶水动力学分析中得到广泛应用。该文针对船舶螺旋桨流动模拟,描述使用的网格模式和数值方法,探讨水动力计算结果对网格尺度、几何精细度表达及边界层网格形式的依赖性和敏感性,同时在数值模拟的基础上分析螺旋桨叶片边界层、梢涡和尾涡的流动特征,以及螺旋桨流场与水动力的联系。

船舶气层减阻复杂水气界面数值模拟方法研究

形成稳定的气层是进行气层减阻的重要前提条件。论文以循环水槽内的船模气层减阻试验模型为对象,分别通过准DNS和URANS方法针对船底气层复杂水气界面开展数值模拟研究,考察两种数值模拟方法对宏观气层形态特性捕捉的影响,分析气层水气界面流场特征。计算结果表明,针对给定的工况,与URANS方法相比,准DNS方法模拟的船底气层水气界面形态,特别是通气台阶后无气层覆盖区的预报与试验更为吻合。通过气层内的流场特性对比,分析了流场涡系结构不稳定性对水气界面不稳定性的影响,以及对预报气层形态的影响。

船舶螺旋桨模型表面流动形态分析

流动形态观测是流体力学实验测量的一项重要内容,其可用于水动力作用机理、流场特性和特征分析,以及流动数值模拟的准确性验证。该文对船舶螺旋桨模型表面流动形态,及其与水动力的联系进行了概括。通过油流显示,螺旋桨模型叶片表面主要包含三种流动形态:径向为主的流动、周向为主的流动以及两者之间的过渡流动。这三种流动形态与叶片表面的流动状态相关,径向为主流动处于层流区,周向为主的流动处于湍流区,过渡流动为转捩区或流动分离区。螺旋桨的水动力与叶片表面流动状态相关,在螺旋桨设计中要高精度预报水动力,必须使用能够同时模拟层流和湍流的数值方法。