潜艇伴流场对螺旋桨激振力的影响

[目的]潜艇附体结构会显著影响桨盘面处的伴流场,进而影响螺旋桨的激振力特性。掌握伴流场特性对激振力的影响规律有助于潜艇和螺旋桨低激振设计。[方法]基于Suboff潜艇模型和INSEAN E1619螺旋桨,采用RANS方法对不同附体伴流场下艇后螺旋桨的激振力进行数值模拟,并使用谐调分析方法对桨盘面处伴流场进行定量表征,然后再结合螺旋桨瞬态流场的分布特性,揭示线谱激振力的产生机理。[结果]结果显示,伴流场谐调分量各阶数的分布情况与单叶片激振力线谱的分布一致,且单叶片激振力主频处的相对幅值与七叶片螺旋桨基本相等;周向对称的艉舵对伴流场谐调分量的影响主要集中在4阶和8阶,对七叶螺旋桨激振力的影响较小;围壳影响伴流场各阶的谐调分量,对七叶螺旋桨激振力起主要作用。[结论]艉舵对激振力的影响小于围壳,为改善螺旋桨激振力特性,应重点对潜艇围壳进行优化。

考虑伴流场中螺旋桨水动力的舰船长轴系校中及优化

[目的]针对计入螺旋桨水动力的舰船轴系校中计算,传统方法通常容易忽略船体伴流场的影响,使得螺旋桨水动力计算的结果与真实值之间存在较大偏差,从而导致轴系校中精度下降。[方法]以某舰船长轴系为对象,建立桨-轴-船一体化有限元模型及其伴流场流域模型,利用CFD数值仿真的叠模方法计算螺旋桨水动力;采用流固耦合法将流体计算结果作用于螺旋桨表面,进行轴系校中计算,并得到螺旋桨水动力对轴系整体挠曲线及各轴承状态参数的影响规律。在此基础上,引入多目标优化算法开展轴系多目标优化校中,来解决轴系末端四套轴承间载荷差值过大的问题。[结果]考虑螺旋桨水动力后,轴系尾部挠度变化减小,越靠近螺旋桨处的轴承其载荷所受影响越大,载荷值随进速系数的增大而减小;对比多目标优化前后的轴系校中状态,轴系各轴承之间的载荷差值明显减小,轴系运行状态得到改善。[结论]所提方法提高了计入螺旋桨水动力的轴系校中计算精度,可为轴系校中质量的提升提供参考。

短波中标称伴流场特性分析

以KCS标准船型为研究对象,采用RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方法对KCS约束模型在规则短波航行下标称伴流场进行了数值计算,并针对标称伴流场在短波中时历周期性变化的规律和特性进行了分析.计算结果表明:短波顶浪下的轴向标称伴流分数满足与入射波相似的周期性变化规律,单个波浪遭遇周期下的波浪伴流分数变化占比相对较小,但影响不可忽略;波浪伴流分数为负值时其主要原因为流体质点发生沿波浪传递方向的波漂移,其值近似为总平均流量;当波峰波谷位于螺旋桨盘面处时,轴向标称伴流场变化最为明显,且变化程度受波陡影响最大,而波长的减小对桨盘面下方区域的影响更为明显.

超大型集装箱船伴流场试验研究

文章主要对超大型集装箱船优化改型两个方案的伴流场进行模型试验的对比分析,对改进超大型集装箱船伴流场的问题作了介绍。

潜艇指挥台围壳对阻力和伴流场影响数值研究

采用Reynolds平均Navier-Stokes(RANS)方法计算潜艇三维粘性流场,分析潜艇指挥台围壳对潜艇水动力性能的影响。采用全附体SUBOFF模型验证了CFD方法,通过将螺旋桨盘面处的实效伴流场、艇体表面压力分布以及模型总阻力的模拟结果与Taylor船池的实验结果进行对比。比较结果显示CFD计算结果与实验数据具有很好的一致性,表明CFD方法可以用于潜艇指挥台围壳设计的水动力计算。通过数值计算研究指挥台围壳的高度和在艇上的分布位置对其后方的流场、螺旋桨盘面处的伴流场和阻力的影响。

双臂轴支架的剖面形状和安装角度对船舶伴流场的影响

水面船舶的艉部附体不但影响船舶阻力,而且对螺旋桨盘面处的伴流场也会产生较大影响。以某大型四桨两舵水面船舶为研究对象,不考虑自由液面的影响,采用RANS方法对船体带附体的三维粘性流场进行数值模拟,重点分析双臂轴支架的剖面形状和安装角度的变化对船舶粘性阻力和标称伴流场的影响。经研究发现,依据轴支架前方流场速度矢量的方向来确定双臂轴支架的安装角度是工程上比较实用的做法。

双桨船轴向伴流场尺度效应的数值研究

以DTMB5415为研究对象,忽略自由液面效应,采用RANS(Reynolds Averaged NavierStokes)方法结合SST(Shear-Stress Transport)k-ω模型计算了多种尺度(涵盖实尺度)的船舶黏性流场,详细分析了该船轴向伴流场的尺度效应作用.研究发现:桨盘面平均轴向伴流分数的倒数与雷诺数的对数近似线性关系;对于双桨方艉舰船的裸船体,桨盘面的伴流峰只有一个,伴流峰的幅值随着雷诺数的增加而减小,同时伴流峰所对应的相位角也发生一定的偏移.在内半径区域,伴流峰的幅值达到某一临界雷诺数后,趋于恒定不变;而在中外半径区域,伴流峰的幅值随着雷诺数的增加而减小,它们之间成非线性关系,可采用3次多项式函数进行回归;各半径的平均轴向伴流分数与雷诺数的对数成近似线性关系.

短波中顶浪航行船舶尾伴流场特性研究

论文采用基于RANSE的数值波浪水池技术,开展短波中顶浪航行船舶尾伴流场特性研究。以KCS船模为对象,进行了静水中尾伴流场的数值计算,通过与模型试验结果的对比分析,验证了数值计算方法;开展了不同波长规则波顶浪中船舶尾伴流场的数值计算,分析了波浪的影响,结果发现随着波长增大,时均轴向伴流分数总体上呈逐渐减小的趋势,论文对其成因机理进行了分析;最后,提出了规则波中时均轴向伴流分数变化传递函数的概念。

基于SPIV的船舶标称伴流场受装载状态影响的试验研究

论文以某76000 DWT巴拿马散货船的缩比模型为研究对象,应用粒子图像测速(ParticleImage Velocimetry,简称PIV)技术对设计吃水与压载吃水装载状态下船舶的标称伴流场进行了测量,测量结果精细的展现了舭涡、假毂毂帽涡以及"钩状"速度等值线结构,其流场特性与KVLCC,JBC等U型艉肥大型船舶艉流场特性符合。最后,对设计吃水与压载吃水工况下船舶标称伴流场进行了轴向速度分布,速度矢量分布、旋涡强度、涡量以及流线等对比分析。结果表明:桨盘面内流场受船舶装载状态影响较大,外流场区域受装载状况影响较弱。设计吃水状态下螺旋桨盘面舭涡呈现"圆形"而压载吃水状态呈现为"耳形"且设计吃水状态涡量较大。另外,不同装载状态下舭涡与假毂毂帽涡的旋涡中心不同。

预报船后伴流场中空泡螺旋桨诱导之脉动压力的一个实用方法及其验证(英文)

在船舶设计阶段，早期预报其振动性能对舰船设计师是非常重要的。本文提出了一个预报船后伴流场中空泡螺旋桨诱导之脉动压力的一个实用方法，即应用准定常升力线理论与二元空泡叶栅理论相结合来计算叶片在船后各角位置上的空泡面积，然后再计算脉动压力。在升力线准定常计算中引入了升力面及粘性修正因子。空泡叶栅计算表明比线性化空泡水翼理论更接近试验值，它考虑了叶片之间的干扰作用。采用重叠船模的Hess－Smith方法计算出船尾横剖面各点上的固壁因子来代替传统的固壁因子为2，表明取固壁因子为2高估了船尾的脉动压力值。本文对各计算模块分步进行了验证，与桨模试验测量值、观察值进行了比较，表明本方法是实用可行的。应用本方法对一艘双桨护卫舰、江南集团5万吨出口散货船、7万3千吨出日散货船及2万2千立方出口液化气船的螺旋桨进行了脉动压力计算，在这些船建造前预报了其尾部脉动压力值均低于国际规定的许可值，为设计建造提供了科学依据。

附体对潜艇阻力及尾部伴流场的影响

针对SUBX潜艇模型,采用数值计算手段,开展附体对潜艇阻力及尾部伴流场的影响分析。计算表明,附体导致潜艇粘压阻力的显著增加,以及伴流场不均匀性的产生。稳定翼对桨盘面半径内伴流场不均匀性的影响较大,而指挥室围壳主要影响桨盘面半径外伴流场不均匀性。从降低阻力和改善伴流场角度考虑,需开展附体外形、位置及与主艇体连接形式的深入研究。

KCS标称伴流场的尺度效应数值分析

为了研究标称伴流场的尺度效应,对不考虑自由液面效应的KCS船的粘性绕流场进行研究,并基于RANS方法和SST k-ω模型对包含实尺度的7种不同尺度下的标称伴流场进行数值计算。然后,将模拟结果与试验数据进行对比,进一步分析标称伴流场的尺度效应。结果显示:各半径处平均轴向伴流分数的倒数与雷诺数的对数呈正相关;KCS裸船体桨盘面处的标称伴流场存在2个伴流峰,且伴流峰值会随雷诺数的增加而减小,有利于减小螺旋桨的空泡和激振力;小尺度模型的尺度效应更为明显,且内半径处的平均轴向伴流分数尺度效应问题比外半径处的更为严重。

基于SDM方法的船艉伴流场尺度效应研究与修正

以KCS为研究对象,利用CFD计算软件STAR-CCM+,计算不同尺度下KCS船伴流场的分布情况,分析尺度效应对船舶伴流场的影响。为修正由尺度效应引起的模型尺度与实尺度船模船艉标称伴流场的误差,借鉴智能假体模型(SDM)的概念,并通过软件Friendship中的Framework模块对原模型的艉部进行修改,讨论不同收缩程度的艉部变形对修正伴流场尺度效应的作用。结果表明:SDM方法对修正伴流场尺度效应的作用效果明显,且通过模型尺寸的收缩变形基本可以达到目标伴流场的伴流分布形式。

自由液面对潜艇伴流场影响的试验分析

为了获取不同工况下潜艇伴流场的特征,本文在拖曳水池环境中采用粒子图像测速(PIV)测量方法进行分析。通过对不同潜深、不同航速下潜艇伴流场的轴向平均速度、脉动速度和流场涡量等流场特征进行测量,从而探究自由液面对潜艇伴流场的影响。结果表明:当潜深大于4倍潜艇直径时,自由液面对潜艇伴流场的影响可忽略不计,但当潜深小于4倍潜艇直径时,根据线性波浪理论,潜艇运动造成的自由液面兴波会改变伴流场的轴向速度、脉动速度及涡量。

雷诺数对潜艇粘压阻力和尾部伴流场影响的数值计算研究

采用数值计算方法对SUBOFF潜艇的主艇体模型和全附体模型在不同雷诺数条件下进行三维粘性流场数值模拟。将低雷诺数条件下的计算结果与试验结果进行比较,验证计算方法的可靠性;利用数值计算技术分析潜艇工程设计和试验中出现的问题,包括潜艇实艇阻力预报方法研究和雷诺数对潜艇尾部伴流场的影响研究。

涡识别技术及其在船用螺旋桨伴流场中的应用

涡识别是很重要的流体问题,为了在船用螺旋桨伴流场中寻找一种合理的涡识别方法,本文结合实践,研究了六种涡识别技术理论,其中使用Burgers涡流和Lamb-Oseen涡流作了必要的解释,讨论了各种识别方法的优缺点.局部低压标准比较直观,但深究其黏性和非定常影响后,明显不足;迹线或流线显然不能满足伽利略不变性,会使辨别变得混乱;涡度大小需要规定其阈值,具有一定不确定性,且也会识别不是涡的涡片;速度梯度张量的复特征值也会有识别不出的区域;速度梯度张量的第二不变量标准和对称张量的第二特征值标准能更好地识别涡核,这两种标准有时等效.螺旋桨伴流场的数值模拟是在开源软件OpenFOAM平台上实现的,湍流大涡模型由一种局部动态方程建模,此模型优于动态Smagorinsky模型.最终的结果显示:对于船用螺旋桨伴流场中的涡,采用速度梯度张量的第二不变量和对称张量的第二特征值的结果基本一致,而最小压力标准、流线或迹线标准、涡度值标准和速度张量的复特征值标准都存在一定的缺陷,不适用于船用螺旋桨伴流场中的涡识别.

某集装箱船伴流场的CFD计算策略分析

以某集装箱船为研究对象,从网格划分、湍流模型、VOF方程的时间离散格式及自由面是否计及等4方面对其进行了艉部轴向伴流场的数值计算策略分析,计算得到不同因素影响下的轴向伴流的周向分布图、等值线图以及桨盘面处的平均伴流分数,并将各计算结果与伴流试验结果进行比对。对于该船型,在计算艉部伴流场时,宜采用SSTk-ω模型,在考虑黏性自由面条件下选用显式VOF法,并适当增加船艉至桨盘面区域的网格数量。

斜流中船后螺旋桨水动力性能及伴流场研究

为了探究斜流中船体尾部流场对于螺旋桨水动力性能与受力变化的影响,采用混合网格技术,通过RANS方法对DTMB4679螺旋桨的水动力性能及船尾桨盘面处伴流场进行了非定常数值计算,并与敞水工况下的计算结果进行对比分析。计算结果表明:在无斜流角时船尾伴流场基本对称,但由于船体对于流场有一定的阻滞作用,敞水工况的轴向速度大于船后工况,且船后螺旋桨具有更高的涡强度;随着斜流角度的增加,旋桨中线一侧的轴向速度增加,伴流场不均匀性增大,严重影响螺旋桨的推进效率与空泡性能。

船体黏性非均匀伴流场中螺旋桨非定常水动力性能预报研究

采用滑移网格技术模拟螺旋桨的旋转,使用CFD前处理软件ICEMCFD划分流场网格,运用基于求解RANS方程的CFD软件数值模拟了螺旋桨的水动力性能。预报了均匀流场中三个不同类型螺旋桨的水动力性能。针对非均匀伴流场采用两种不同的处理方法,研究了两个不同螺旋桨的非定常水动力性能。讨论了基于滑移网格技术的网格划分方法、边界层网格的处理方法和计算稳定性的判断方法等影响计算精度的关键因素,分析了不同湍流模式对预报结果的影响。预报结果显示,船体伴流场的不均匀性导致了桨叶表面压力分布随桨叶的位置不同而发生变化,且计算值和试验值吻合的很好。

四桨船伴流场研究

与单桨船不同,四桨船各螺旋桨在运转过程中负荷不同。当前四桨船推进器的设计多以一个干扰因子来表征内外桨负荷差,而一个干扰因子难以反映内外桨负荷差产生的原因,因此往往给设计带来困难。本文使用CFD方法对四桨船内外桨负荷分配问题进行研究,首先以大连理工大学拖曳水池的PM06模型为基础进行不确定度分析,验证了该数值计算方法的准确性,然后对本文所研究的四桨船进行研究。结果表明四桨船内桨负荷大于外桨,且负荷差产生的原因主要有三个方面:(1)船体形状造成的船尾流场不均匀性对桨的影响;(2)内外桨在敞水中相互间产生的干扰;(3)内外桨之间的干扰在船尾不均匀流场中的合成。据此,本文将四桨船伴流分为三部分:原生伴流、干扰伴流和次生伴流,并计算了该船各部分伴流所占比例,以更好地指导四桨船的推进器设计。