基于改进体积力法的导管螺旋桨水动力性能数值研究

[目的]旨在解决传统Goldstein体积力法在导管螺旋桨水动力仿真中的适用局限性问题。[方法]首先,基于机翼理论,分析导管水动力模拟失真的原因,并以质量流量和体积力分布模型为切入点,提出修正思想和方法;然后,采用RANS方法探究经质量流量修正后的2种体积力分布模型的模拟精度。[结果]结果显示,2种改进体积力法在敞水工况下其总推力系数的平均相对误差均为5%左右;在艇后工况下,前进合力的平均相对误差分别为1.8%和11.6%。[结论]研究表明,基于改进体积力法的导管螺旋桨在敞水和艇后工况下的模拟精度较传统体积力法有较大的提升,能准确实现对导管螺旋桨水动力性能的数值模拟,可为水下航行器高效、动态的操纵性仿真奠定基础。

基于体积力法的半悬挂舵和全悬挂舵回转性对比

针对半悬挂舵和全悬挂舵回转性能差异问题,建立用于模拟螺旋桨推力的体积力模型,评估两种不同形式舵的回转性。对标模KCS船型回转运动进行计算流体动力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)模拟,船后螺旋桨作用使用体积力模型替代。开展半悬挂舵回转性CFD模拟,并与试验结果对比验证。设计全悬挂舵并模拟其回转性,与半悬挂舵回转性进行比较。结果显示,半悬挂舵除战术直径与试验结果相差9.48%外,其他回转特性参数与试验结果相差均在3%以内,说明基于体积力法模拟回转性具有较高的可信度。全悬挂舵的回转特性参数均优于半悬挂舵,说明全悬挂舵的回转性能更佳。

体积力法在船舶自由直航数值计算中的影响因素研究

为了探索体积力法在船模自由直航数值计算中的适用性及影响因素,针对某双尾鳍船型,采用体积力法建立虚拟桨模型,探讨了进流盘面的半径、偏移量等对航速的影响规律,并与自航模试验结果进行对比.结果表明,进流盘半径对航速的影响较大,而偏移量对航速影响较小;采用体积力法建立虚拟桨模拟船模自由直航,航速计算精度可达0.5%,最大偏差不超过5%.

基于迭代型体积力法的船舶自航性能数值研究

准确预报船舶自航水动力性能对船舶设计与快速性优化具有重大意义。论文应用计算流体动力学(CFD)方法,采用体积力法代替真实螺旋桨;并应用耦合螺旋桨势流涡格法(VLM)和船体周围粘性流场RANS方程,对KCS集装箱船的自由面粘性流场进行船模自航数值模拟,通过调节螺旋桨转速达到自航状态,计算结果与试验结果吻合良好。整个计算过程通过集成了VLM和RANS方程的程序自动完成。研究结果表明,迭代型体积力法可以快速准确地预报船桨干扰下船体的自航性能。

基于体积力法的全附体KCS型船模PMM运动数值模拟

为高效、精确地求解船舶操纵水动力导数,以全附体KCS型船模为研究对象,基于RANS方程及VOF模型,在star-ccm+平台上采用体积力法模拟螺旋桨作用,计及自由面兴波及航行姿态变化对船模水动力的影响,开展斜航、纯艏摇、漂角和艏摇组合3种平面运动机构(Planar Motion Mechanism,PMM)运动的数值模拟,将横向力Y、艏摇力矩N、横倾力矩K的数值模拟结果与试验结果进行对比,并依照PMM试验的动力学方程,通过最小二乘法拟合和傅立叶积分,将数值模拟结果与试验结果的时历曲线进行分析处理,求得操纵水动力导数。研究结果表明:该方法用于数值模拟PMM运动是可行的;求得的水动力导数中Y′vvv,N′vvv误差略大,其余水动力导数误差均在15%以内。

迭代型体积力法预报船舶推进性能

应用计算流体动力学的方法(CFD),采用迭代型体积力法,耦合螺旋桨势流涡格法(VLM)和船体周围黏性流场RANS(Reynolds Averaged Navier-Stokes)方程,代替真实螺旋桨的作用,即将VLM法计算得到的推力和转矩分布插值后作为源项加载到RANS方程中,将RANS方程得到的流速扣减诱导速度后得到实效伴流作为VLM法计算的进流条件,计算得到新的推力和转矩值,重复迭代直至螺旋桨的推力变化达到收敛要求.在无舵情况下对集装箱船KCS(KRISO Container Ship)的自由面黏性流场进行了数值模拟,计算结果与试验结果吻合良好.整个计算过程由集成了VLM和RANS方程的程序自动完成.研究结果表明,迭代型体积力法可以快速准确地预报船桨干扰下船体的推进性能.

拐折裂纹应力强度因子的体积力法研究

工程结构中的裂纹扩展时往往呈现拐折，所以折裂纹的研究成为重要课题．本文用体积力法系统研究了受拉伸半无限大板中的折裂纹．文中叙述了体积力法原理，自行编制了全部计算程序．经多方验算，程序正确可靠．大量的计算结果为工程断裂力学提供了有价值的数据结果．

改进型体积力法在平面裂纹群中的应用

本文依据文[4]的工作,用改进型体积力法分析了工程断裂评定中常见的平面任意裂纹群和一长一短裂纹群的相互干涉效应问题。文中图示曲线给出了计算结果,并探讨了有关点的干涉效应特性。本文工作丰富了《应力强度因子手册》的内容。

基于体积力的海水自流循环系统流速确定方法

[目的]为优化和比较海水自流循环系统中关键部件的多种设计方案,需建立一种能对自流循环系统流量进行快速计算的方法。[方法]采用RANS方法结合SST k-ω湍流模型开展某艇海水自流循环系统的数值模拟。用体积力代替主要部件进行数值分析,提出一种利用系统特性曲线与部件性能曲线求交点的方法确定海水自流循环系统的流速点。[结果]通过比较体积力法与部件实体加艇体的联合计算方法得到的工况点,验证了体积力法计算的准确性,从而确定了海水自流循环系统的流速;体积力法较实体联合计算法更简便、计算量更小,更适用于系统部件的多方案仿真分析。[结论]体积力法可简化数值仿真计算,可为预报实艇海水自流循环系统的流速和流量提供参考。

热、机械载荷作用下夹杂对应力强度因子的影响

推导了远场应力、热应力耦合作用下含夹杂裂纹体的应力强度因子求解公式,改进了体积力法中的裂纹面合力平衡条件,将应力强度因子的求解归结为解一组积分方程,再将积分方程转化为线性方程组进行数值求解。算例分析结果表明方法正确、有效。将该算法应用于含A l2O3夹杂的FGH 95材料应力强度因子分析中,计算结果表明热应力对应力强度因子影响很小。

双材料接合半无限体三维矩形界面裂纹应力强度因子分析

基于体积力法,研究了双材料接合半无限体三维矩形界面裂纹的应力强度因子问题.在数值计算中,未知的体积力密度采用基本密度函数和多项式乘积的形式来近似,其中基本密度函数是根据界面裂纹应力的振荡奇异性来选取的.计算结果表明,基于本算法得到的数值结果其收敛精度和计算误差都是令人满意的.算例中,给出了应力强度因子随矩形形状及双材料参数的变化规律.

非共面半椭圆形表面裂纹群问题的现代分析法

本文发展了体积力法的工作,建立了能有效地分析半无限体中交错型表面裂纹群相互干涉效应的改进型体积力法。在数值分析上,本文还作了以下两点修正:一、从直觉的物理概念出发,考虑了材料泊松比对应力强度因子的影响;二、从应力影响系数的物理意义出发,提出了能有效地处理复合型表面裂纹耦合积分奇异性问题的间接法。作为改进法的应用,本文给出了二个形状比相同的非共面半椭圆形表面裂纹相互干涉效应的计算结果。

裂纹板贴补应力分析

本文采用含裂纹无限大板特殊基本解和合力边界条件，用体积力法对含裂纹金属薄板的胶贴补强问题进行应力分析。使用一满足胶贴层位移连续条件的剪切单元，把问题转化为对裂纹板和贴片的分析。由于使用的特殊基本解精确满足裂纹面自由力边界条件，避免了对裂纹尖端附近的奇异场进行离散处理，因而可以比较精确地求出裂纹尖端附近的应力分布，同时由于单位集中力引起的裂纹尖端应力强度因子可以解析得到，因而可以较准确地反映出用应力强度因子的降低来表征的贴补效果。作为贴补计算的例子，文中计算了受拉力和剪力作用时，含中心裂纹的金属裂纹板在贴补前后裂纹尖端应力强度因子的降低，给出了贴片的厚度、弹性模量和尺寸及肢贴层厚度等对贴补效果的影响。

基于两种螺旋桨建模方法的全附体船模斜拖试验数值模拟

应用计算流体动力学(CFD)方法数值模拟约束模试验以获取船舶操纵水动力导数,是建立船舶操纵运动数学模型的有效方法.在数值模拟全附体约束模试验中,选定合适的螺旋桨建模方法,是既快速又准确地计算船体水动力的关键.应用CFD方法求解雷诺平均Navier-Stokes(RANS)方程,分别采用体积力法和基于实桨的滑移网格法对螺旋桨进行处理,数值模拟了全附体KCS船模的斜拖试验;通过水动力数值计算结果与基准试验数据的比较,验证了所采用的数值方法的可靠性.对两种螺旋桨建模方法的结果进行比较可以发现,综合考虑计算成本和计算精度,体积力法可以代替实桨方法进行全附体约束模斜拖试验数值模拟.

静水环境船模自航试验数值模拟分析

船舶在静水环境中的快速性研究需要对主船体静水阻力、螺旋桨敞水特性、船体航行姿态等进行综合分析,船模自航试验是研究船舶快速性的重要手段。基于计算流体力学(CFD)方法,对船舶自航试验开展数值模拟与分析,采用体积力模型计算了某螺旋桨敞水特性曲线,计算了某船模型在静水中的自航性能。通过数值模拟,得到了螺旋桨推力系数、螺旋桨扭矩系数等自航参数以及船体阻力、姿态等,分析了船体模型在不同航行状态下的船体快速性。

波浪推进艇的集成电机推进器设计及航速预报

为了给现有的波浪推进无人艇研制辅助动力装置,对有桨轴型集成电机推进器进行了相关的设计,包括电机设计、水动力性能和桨叶结构强度计算。首先进行电机的设计和螺旋桨的选型,并通过流固耦合方法对集成电机推进器周围的流场和桨叶应力场进行了计算。然后使用Star ccm+重叠网格法计算了水翼抬离水面工况无人艇模型的静水阻力,并与拖曳试验结果进行比较,验证了CFD计算方法的可行性。最后使用体积力法替代螺旋桨的作用,对安装了首固定水平翼和一个集成电机推进器的波浪推进无人艇在静水和迎浪规则波中航行时的航速进行了预报。

船模Z形操纵运动数值模拟与分析

为了研究船舶操纵运动过程中螺旋桨与舵的水动力变化规律,基于URANS方程,联合采用体积力法、重叠网格技术、6-DOF运动模型、VOF模型,计及船体航行姿态的影响,开展了双桨双舵双尾鳍水面船舶的Z形运动数值模拟,通过计算所得横倾、纵倾、超越角、初转期等与试验结果的对比,验证了数值方法的可靠性.在此基础上,分析并获得了双桨船在Z形操纵运动过程中螺旋桨推力与转矩及舵力与转矩的时历变化规律.

混合吊舱对转桨与普通桨舵回转性能的数值研究

为了研究混合吊舱对转桨的回转操纵性能,对一艘集装箱船模型分别配置混合吊舱对转桨和普通舵桨,并使用体积力模型模拟桨对船体的作用。采用RANS方法和重叠网格技术,对两者在静水中的操舵回转运动进行数值模拟。比较两者回转运动特征参数、受力及流场特性。计算结果表明,配置混合吊舱对转桨的船舶较普通桨舵能在更短时间内完成90°转艏与180°回转;减小混合吊舱对转桨前、后桨的推力比,可使船舶以较小的战术直径完成回转,操纵性能较普通桨舵优越。普通桨舵流动分离现象较吊舱桨严重,吊舱桨大部分区域的涡脱落得到抑制,其振动和噪声性能优于普通舵。该项工作可为混合吊舱对转桨的操纵性能研究提供参考。