半浸桨叶剖面出入水机理数值分析

为了分析半浸桨剖面出入水问题,本文对841-B型半浸桨的杯型剖面进行建模。通过求解RANS方程模拟剖面入水过程,同时结合标准k-ε湍流模型、流体体积方法以及重叠网格技术,建立可靠的数值方法,并在此基础上研究半浸桨剖面出入水产生的现象,分析了不同进速下半浸桨剖面出入水的自由液面、通气腔形式、流场形式及受力特性等。研究结果表明:半浸桨剖面入水的过程是一个伴随着自由液面强非线性变化的非定常的过程,入水过程中,吸力面侧压强下降并吸入空气,形成通气腔,在下一个剖面入水时,将引起自由液面的进一步变化。增大进速,会对这个通气现象有抑制作用。此外,通气腔的变化会影响半浸桨剖面受力情况。

导管螺旋桨水动力性能试验及数值研究

为了研究导管螺旋桨的推力、扭矩和敞水效率等主要水动力参数和进速系数之间的关系,本文采用物理模型试验和计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术相结合的方式分析导管对螺旋桨水动力特性的影响。首先在本校拖曳水池开展导管螺旋桨模型的敞水性能试验然后使用计算流体软件STAR-CCM+对导管桨模型进行数值模拟。在模拟计算中应用多参考系法(Multi Reference Frames,MRF),分别采用不同湍流模型对导管螺旋桨的水动力性能进行计算,并与试验数据进行对比,验证了STAR-CCM+软件模拟可以对导管螺旋桨的水动力性能进行有效预报且使用SST k-ω湍流模型获得的水动力性能精度更高。研究结果表明,导管螺旋桨更适用于在低进速系数下工作的重载船舶。

仿生叶剖面厚度分布对螺旋桨水动力性能影响的数值分析

为进一步分析船舶螺旋桨几何特征的变化对水动力性能的影响,通过参数化的仿生设计方法改变叶剖面的厚度分布并采用SST k-ω湍流模型及Schnerr-Sauer空化模型对具有不同叶剖面形状的仿生船舶螺旋桨进行敞水特性和空化形貌的数值模拟。计算结果表明,合理设计仿生叶剖面的厚度分布可以在一定程度上提高不同进速下的效率和减少桨叶表面的空化面积,但随着仿生叶剖面的最厚点逐渐靠近导边,桨叶表面的空化发展也会提前发生。

船用复合材料螺旋桨稳态流固耦合尺度效应数值研究

为实现实尺度复合材料螺旋桨的流固耦合性能预报,针对船用复合材料螺旋桨在均匀流场中稳态流固耦合的尺度效应问题,本文基于Ansys Workbench建立了双向流固耦合算法,采用ACP模块对3种尺度的4381复合材料螺旋桨进行30°角铺层建模,分析了流固耦合下结构变形与敞水性能变化的尺度效应规律。研究结果表明:粘性力相对占比是刚性桨敞水性能尺度效应的主要因素;流固耦合最大变形比和螺距变形比均与缩尺比呈线性关系,因流体的附加刚度作用,最大变形比需在悬臂板挠度公式基础上作3%的修正;流固耦合后敞水性能的改变量与缩尺比呈线性关系,其尺度效应需在刚性桨敞水性能尺度效应关系上进一步作5%~7%的修正,修正量与复材桨压力中心区和桨叶的厚度均有一定关系。考虑流固耦合的复材桨尺度效应修正为不同尺度复材桨的数值计算和性能预报提供了有效参考。

环形螺旋桨几何形状的数学表达方法

[目的]环形螺旋桨因其独特的外形,可有效减少梢涡泄出,有利于降低水动力噪声,提高推进效率,但同时也因其复杂的外形,难以采用常规螺旋桨的数学表达方法来对其几何外形进行建模,因此,需研究新型环形螺旋桨几何形状的数学表达。[方法]首先,详细介绍环形螺旋桨的结构特点和优势;然后,在参考常规螺旋桨几何形状数学表达的基础上,引入轴距、外侧角、侧倾角和竖直角等几何参数,以几何型值参数沿轴距方向分布的方式,详细推导环形螺旋桨的三维坐标数学公式,从而建立环形螺旋桨的数学表达方法;最后,以某一环形螺旋桨的型值为例,验证所提环形螺旋桨数学表达方法的可行性。[结果]结果显示,采用所提方法能够光顺地建立环形螺旋桨的几何外形。[结论]所提方法可用于快速进行环形螺旋桨的三维建模,能为进一步研究环形螺旋桨的物理特性和科学问题奠定坚实的基础。

非均匀来流下螺旋桨空泡脉动压力特性研究

针对某船用大侧斜螺旋桨(HSP),采用多场同步测量系统,在空泡水筒内开展螺旋桨空泡演化及其脉动压力特性试验研究,探究进速系数和空化数对螺旋桨空泡脉动压力特性的影响。试验结果表明:螺旋桨出现的空泡类型包括叶背空泡、叶面空泡和梢涡空泡,低频脉动压力与空泡体积振荡相关。在无空泡情况下,对比各阶叶频分量对脉动压力的影响,一阶叶频为主要分量,可忽略高阶叶频分量的幅值;空泡产生后,非定常空泡演化对螺旋桨脉动压力性能影响较大,脉动压力出现明显高阶叶频分量,同时主频脉动压力幅值显著增加,空泡发展过程越剧烈,变化越显著;当出现不稳定的梢涡空泡时,脉动压力高阶叶频分量明显增大。

基于B样条的螺旋桨桨叶参数化及曲面生成

为了提高螺旋桨优化过程中桨叶的参数化灵活性和建模效率,开展基于B样条方法的螺旋桨桨叶参数化及曲面生成研究。基于B样条曲线方法,采用最小二乘法对不同半径处的叶切面型值点进行拟合,并利用比例、偏移、坐标转换等方法,实现了桨叶叶切面和外形轮廓的参数化;基于B样条曲面方法,高效生成螺旋桨叶面、叶背、叶根和叶顶曲面;基于Python语言完成相关程序编写,并给出程序的UML类图。最终,通过对螺旋桨实例进行对比分析,证明螺旋桨桨叶参数化的灵活性和桨叶曲面生成的高效性。

基于改进飞蛾扑火优化算法的船机桨匹配设计研究

基于改进飞蛾扑火优化(Improved Moth-Flame Optimization,IMFO)算法,以两艘现有船舶为计算实例,展开了综合考虑螺旋桨推进效率、空泡性能和桨叶强度的船机桨匹配工作。以遗传算法(Genetic Algorithm,GA)和原始飞蛾扑火优化(Moth-Flame Optimization,MFO)算法为对比算法,分析了IMFO辅助船机桨匹配工作时的性能。数值实验的结果表明,在解决船机桨匹配问题时,IMFO算法的收敛时间相比GA算法在两个算例中分别缩短了44.24%和54.14%,相比MFO算法分别缩短了23.9%和23.12%。此外,在求解精度方面,在计算示例1中,IMFO算法相比GA算法和MFO算法略有提升;而在计算示例2中,IMFO算法相比GA算法提高了3.66%,较MFO算法提高了0.98%。最后,通过对两个算例的可行解空间进行可视化表示,进一步讨论了IMFO算法的求解性能。上述结果对比证明了IMFO算法具备强大的全局搜索能力,在解决船机桨匹配问题时具有良好的竞争力和鲁棒性。

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。

导管螺旋桨瞬时尾部涡演化数值研究

导管螺旋桨是目前船舶的主要推进装置之一.导管可以减弱梢涡作用,提供部分推力.基于分离涡模拟方法,对导管螺旋桨的瞬时尾部流场及功率谱密度进行了计算,对比分析了导管螺旋桨瞬时尾部流场涡量、压强、动能的演化情况.计算结果表明,加速型导管增强了螺旋桨周围的周向流动,从而有助于回收涡流动能,提高推进效率;导管可以延迟梢涡收缩,减小收缩的程度,起到抑制梢涡的作用;尾部流场动能谱分析定量描述了尾部涡结构的演变,观察到尾部涡结构的分组与配对现象;导管螺旋桨在特征频率附近的动能谱振幅明显减小、衰减加快.

基于三维激光点云的船用螺旋桨变形分析

传统采用螺距仪的测量方式效率低且准确性有待提高,为了准确获取船用螺旋桨的变形情况,提出一种使用三维激光扫描仪对其测量并进行变形分析的方法。在获取多视角的三维激光点云数据后,先进行裁剪去噪的预处理,然后对点云进行基于改进的SAC-IA粗拼接和K-D Tree加速处理的ICP精拼接,并对拼接精度进行分析,最后在CATIA软件中对比基于点云建模拟合的模型与原设计模型,得到船用螺旋桨直观且具体的变形情况,验证了该方法的可行性。

艇后大侧斜螺旋桨非定常空化及噪声性能研究

结合数值和试验方法,对艇后七叶大侧斜螺旋桨进行空化性能及空化噪声分析.采用雷诺平均(RANS)方法和Ffows Williams-Hawkings声学类比方程混合的计算方法,结合SST k-ω湍流模型和Schnerr-Sauer空化模型,研究了艇后七叶螺旋桨的非定常空化脉动压力、推力系数、速度分布及空化形态演变过程,并将数值结果与试验结果进行比较验证.基于艇后螺旋桨空化噪声的数值仿真,分析不同空化数下各阶压力脉动幅值、噪声功率谱、频率普.结果表明:随着空化数的减小,脉动压力波动峰值减小,桨叶无明显空化时,噪声高幅值主要集中在低频段,空化发生时,高频段噪声的声压级会明显增大,声功率级增大60 dB,而低频段的噪声随着空化的发展而增加,空化完全发展时,所有频段噪声一起增大到更高水平.

波浪中的螺旋桨水动力性能数值分析

传统的螺旋桨水动力性能研究主要针对静水条件,但船后工作的螺旋桨经常会受到波浪的影响.从文献情况来看,目前与波浪中螺旋桨水动力性能相关的研究工作相对较少.有鉴于此,采用基于OpenFOAM的雷诺平均NS(RANS)求解器,计算、分析波浪对螺旋桨推力及转矩的影响.研究结果表明:在波浪的作用下,螺旋桨推力及转矩的时间历程曲线发生振荡,且随着浸深与进速系数减小,水面扰动变大,时历曲线的振荡幅度增大;与静水条件相比,在浸深与进速系数相同的情况下,波浪中螺旋桨推力及转矩的平均值减小;计算结果与现有的试验数据吻合良好.

非均匀伴流中复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合研究

复合材料可改善螺旋桨空化性能及振动特性,在先进海洋推进装备领域备受关注。本文基于URANS计算复合材料螺旋桨外流场,应用FEM求解桨叶结构动态响应,并将水动力载荷及结构变形实时双向传递,建立复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合数值计算方法。精细地模拟了桨叶经过高伴流区过程中叶梢空泡的演化;叶梢最大变形量随着叶梢空泡的初生、发展而逐渐增大,在梢涡空泡形成阶段达到最大值,然后随着空泡的溃灭而减小;揭示了复合材料的应用使螺旋桨推进效率得以提高、叶梢空化得以抑制的机理,即复合材料螺旋桨在空化水动力载荷作用下产生弯扭耦合变形,自适应地调整攻角以抑制空泡发展;对比了典型空化工况下复合材料与刚性金属螺旋桨空化水动力性能的区别;与刚性金属桨相比,复合材料螺旋桨的压力脉动峰值缓和,对非均匀伴流场的适应性更好。

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。

基于流固耦合的AUV伴流对螺旋桨性能影响

自主式水下航行器(Autonomous Underwater Vehicle,AUV)螺旋桨的运转通常是在非均匀流场中,其中以AUV航行时产生的尾部伴流为主。为了分析尾部伴流对螺旋桨水动力及噪声的影响,首先利用P 4 119螺旋桨验证双向流固耦合数值模拟的可行性、准确性,其次建立AUV与B型图谱桨耦合模型,对比2种工况下螺旋桨动力性能与无空化噪声分布情况。结果表明,在AUV尾部不均匀的来流影响下,螺旋桨所需提供的推力和转矩有所提高,此增幅在最高时分别可以达到83.77%和50.50%;相较于1倍叶频时伴流对螺旋桨噪声的微弱影响,2倍和3倍叶频时螺旋桨噪声在各个监测点的声压级相较均匀来流衰减了20~50 dB,并且导致2倍叶频时螺旋桨噪声的分布呈现无规则形。

大型邮轮水下辐射噪声特性分析及试验研究

随着海洋资源利用程度的增加,船舶水下辐射噪声严重影响海洋生物的生存发展,大型邮轮作为人类建造的体量最大可用于全球旅行的交通工具,极易产生水下辐射噪声问题。文中重点分析了大型邮轮水下辐射噪声的振动噪声来源及传递路径,通过仿真对水下辐射噪声进行计算,并对大型邮轮的水下辐射噪声进行实船试验测试,最终对比得出目前我国建造的大型邮轮的水下辐射噪声特性。研究结果可为开展大型邮轮水下辐射噪声控制研究提供数据支持,为我国后续大型邮轮的设计和建造提供参考。

轮缘推进器外形对水动力性能影响分析

轮缘推进器将电机与螺旋桨一体化设计,具有较高的应用前景。本文以NO.19A+Ka4-70导管螺旋桨为基础,将仿真值与试验值进行比较,各项参数的最大偏差均在5%以内,吻合较好,并构造反厚度规律的桨叶。基于STAR-CCM+仿真软件对轮缘推进器进行水动力性能的数值计算,采用SST k-ω湍流模型进行计算,对比分析轮缘推进器的外形、导管种类、桨毂、轮缘宽度对于推进器水动力性能的影响。

Coupling of RANS and BEM Solvers for Simulation of Propeller Behind the Hull in Full Appended Model

To design a propeller for ship power plant,the interaction between ship hull and propeller must be taken into account.The main concern is to apply the wake effect of ship stern on the propeller performance.In this paper,a coupled BEM(Boundary Element Method)/RANS(Renolds-Averaged Navier−Stokes)solver is used to simulate propeller behind the hull in the self-propulsion test.The motivation of this work is to develop a practical tool to design marine propulsion system without suffering long computational time.An unsteady boundary element method which is also known as panel method is chosen to estimate the propeller forces.Propeller wakes are treated using a time marching wake alignment method.Also,a RANS code coupled with VoF equation is developed to consider the ship motions and wake field effects in the problem.A coupling algorithm is developed to interchange ship wake field to the potential flow solver and propeller thrust to the RANS code.Based on the difference between hull resistance and the propeller thrust,a PI controller is developed to compute the propeller RPM in every time step.Verification of the solver is carried out using the towing tank test report of a 50 m oceanography research vessel.Wake factor and trust deduction coefficient are estimated numerically.Also,the wake rollup pattern of the propeller in open water is compared with the propeller in real wake field.

基于深度学习的螺旋桨水动力性能快速预报方法

为实现螺旋桨水动力性能的快速、精确预报,基于改进的残差连接神经网络建立了一套螺旋桨水动力性能预报模型.残差连接方式大幅提高了模型深度,结合Inception结构从不同尺度同时提取数据特征,利用深度可分离式卷积减少模型参数,基于螺旋桨几何参数和模型试验结果构建训练深度神经网络所需的样本空间;提出一种改进的群体天牛须算法对模型的初始权重与阈值进行优化,进一步提高其预报精度.研究结果表明:改进的群体天牛须算法显著提高预报模型的精度并解决了过拟合问题,预报结果与试验值吻合良好,对数据集外螺旋桨的预测性能与CFD法基本一致.模型的普适性极佳且计算周期极短、效率高,满足实时、准确预报螺旋桨敞水性能的要求.