泵喷定子襟翼作动对转子非定常力抑制方法数值研究

[目的]转子非定常力是泵喷推进器轴系振动的主要激励源,其产生机理和抑制机理受转−定子干扰流动的影响,需研究其抑制方法。[方法]在泵喷推进器定子后缘引入襟翼结构,利用襟翼作动产生二次流动,改变转子入流条件,调控转−定子干扰流动,达到抑制转子非定常力的目的。以具有前置定子襟翼的Suboff全附体艇后泵喷推进器为研究对象,采用基于SST k–ω湍流模型的URANS方法和动网格技术建立可实现定子襟翼作动的数值模型。针对转子非定常力转子叶频分量的抑制,给出定子襟翼作动规律的表达式。[结果]结果显示,在襟翼作动最优控制下,泵喷的水动力性能变化不超过1%,转子轴向非定常力在转子叶频处下降了83.35%,单个转子叶片轴向非定常力在转子叶频处降低了81.80%;襟翼作动对定子尾迹与转子入流速度的调控是抑制转子非定常力的机理。[结论]研究表明,最优控制下的定子襟翼作动能够在保持水动力性能的同时使转子非定常力特征线谱得到显著抑制,可为泵喷推进器的叶频等线谱控制提供一种新的思路。

螺旋桨非定常力径向分布特性研究

本文采用RANS数值仿真方法对P4119桨和P4132桨非定常力的分布特性开展研究,通过将桨叶进行径向分段,获得非定常力在桨叶上的径向分布特性。结果表明:螺旋桨桨叶上非定常力沿径向的分布特性与平均力分布特性相同,但不同半径上非定常力时域曲线具有不同的周向相位;通过计算叶片表面的压力脉动,识别出桨叶上的非定常力主要来源于叶片导边区域;通过调整P4132桨的侧斜角分布,使得P4132桨不同半径上的非定常力形成相减的效果,进而大幅减小了桨叶的非定常力。本文的研究成果可为定量分析螺旋桨激励力的成因以及螺旋桨的设计提供技术基础。

螺旋桨非定常力的黏性数值分析

基于黏流的数值模拟技术在非均匀来流情况下对DTMB P4119桨所受的非定常力进行了分析。该桨已在DTMB用给定的非均匀轴向进流场做过非定常水动力测量,故本文计算用该进流场作为进流条件并把该试验结果用来验证。计算过程分析了网格数的收敛性。非定常力的计算的预报结果,明显地反映了1阶,2阶及3阶叶频的轴承力幅值与进流阶调的耦合效应。通过计算结果与试验结果的对比,不论是非定常力的演变特征还是脉动幅度都与试验结果吻合良好。通过简单定性分析认为通过计算得到的非定常力预报螺旋桨线谱噪声误差将在3dB以内,比较理想。

定常力输出柔性滑块机构的优化综合

定常力输出机构就是在一定的输入范围内输出一恒定力的机构。本文首先利用虚功原理建立了实现定常力输出柔性滑块机构中力与位移间的关系式 ,进而提出了当考虑和不考虑零件中的应力时柔性滑块机构的优化综合方法 。

船舶推进器低频宽带非定常力试验研究

低频宽带力是船舶推进器非定常力的重要组成部分,一方面它会直接辐射引起低频段较高的噪声,另一方面还会通过轴系传递到船体,引起船体振动并辐射噪声,因而对其研究具有重要意义。本文利用试验手段对船舶推进器低频宽带非定常力进行了系列研究,利用自主研制的非定常力动力仪,在大型循环水槽不同网格模拟伴流场中对不同叶数、不同材料推进器模型进行了低频宽带力测量,得到了低频宽带力的典型频谱特征规律,以及宽带力随速度、湍流参数、材料、叶数变化的定量关系。研究成果可为船舶推进器低频宽带力的理论预报方法提供试验验证数据,同时为宽带力的频谱特征规律分析提供了试验支撑。

带前置定子导管桨非定常力特性计算分析

本文采用数值求解RANS方程的方法对带前置定子导管桨进行了数值模拟,计算了非均匀来流下带前置定子导管桨的非定常力,研究了来流周期数和转定子叶数对带前置定子导管桨转子非定常力的影响规律。结果表明:转子的非定常力主要由转子的进流决定;转子的进流同时受到非均匀来流和定子叶片数的影响;高周期数的非均匀来流诱导的非定常侧向力幅度要小于相同脉动幅度的低周期数的非均匀来流诱导的非定常侧向力幅度;转定子叶数要适配以减小转子的非定常力。本文的研究结果可为低激振导管桨设计及其非定常力特性分析提供基础。

不均匀进流场下螺旋桨非定常力的数值模拟

本文基于STAR-CCM+对非均匀来流下的螺旋桨非定常力进行数值模拟,通过与试验值进行比较,分析了时间离散格式、单位时间步长螺旋桨旋转角度与网格密度对计算结果的影响。结果表明,在螺旋桨非定常力计算中,螺旋桨单位时间步长的旋转角度应为1.8°同时选取二阶时间离散格式,桨叶表面网格的边界增长率设定为medium就可以达到计算精度的要求。并在此基础上,对Suboff全附体潜艇模型下3个螺旋桨的非定常力进行数值模拟,分析桨叶个数以及桨叶侧斜对非定常力变化幅度的影响。

螺旋桨非定常力对推力轴承油膜刚度影响的理论与试验研究

为了分析螺旋桨非定常力对于推力轴承纵向刚度的实际影响范围,基于Reynolds方程推导了轴承纵向刚度的表达式,采用拟定常化的方法处理螺旋桨的非定常力;基于稳态分析的研究假设,计算了不同转速与螺旋桨载荷下的推力轴承油膜纵向刚度;进一步搭建了推力轴承油膜刚度测量的试验台架,测量了不同激振力作用下的轴承油膜刚度.结果表明,理论计算与试验测量结果吻合良好,螺旋桨非定常力对推力轴承油膜纵向刚度的影响随载荷和转速的增加而增加,一般为15%,最大可达到20%.

弹性螺旋桨的轴向非定常力分析

为研究螺旋桨的水弹性流固耦合非定常振动特性,首先通过金属桨敞水性能验证了瞬态双向流固耦合方法的可靠性;然后,以玻璃纤维为参考材料,通过改变材料参数得到不同材料的弹性螺旋桨,并采用瞬态双向流固耦合方法对伴流场中不同弹性螺旋桨进行数值计算,得到了轴向非定常力和变形的时域值;最后,通过傅里叶变换得到不同材料-阶叶频处脉动幅值;结果表明:通过对杨氏模量和刚度阻尼的调整,可以降低螺旋桨流固耦合非定常力脉动幅值。

风扇/压气机转子叶片定常力气动噪声数值研究

从考虑了固体边界影响和均匀介质影响后的广义 Lighthill方程出发 ,采用管道声学模型导出了风扇 /压气机转子叶片定常力气动噪声传播方程 ,并通过涡喷 11压气机单转子声学实验进行了数值模拟。结果表明 ,叶片定常力产生的气动噪声对风扇 /压气机总噪声级有重要作用。

浅水浮式生产储油系统(FPSO)二阶定常力数值仿真研究

应用三维线性势流理论和Ir J A Pinkster的近场分析方法,对超大型浮式生产储油系统(32万吨FPSO)的二阶波浪定常力进行了数值仿真分析,研究浅水情况下,不同水深对FPSO受到二阶波浪定常力的影响,对浅水油田中FPSO的设计应用有一定的实用意义。

格栅湍流激励下的螺旋桨宽带非定常力特性

为了研究船舶推进器低频宽带辐射噪声的激励源特性,本文采用相关方法对一模型十叶桨在格栅湍流下产生的脉动推力宽带谱进行了计算,评估了不同工况下脉动推力中各成分的相对量级,与实验测试结果的对比验证了计算方法的可靠性。并从螺旋桨的运行工况、来流特性和桨叶自身几何参数3个方面入手对宽带非定常力演变特性进行了研究,结果表明:相似工况下叶频宽带峰幅值与转速的二次方近似成线性关系;临界积分尺度与桨叶数呈反比;纵倾无法降低宽带非定常力,而多项式的侧斜角分布较线性分布对于叶频宽带峰的控制效果更好。

亚格子模型对泵喷推进器宽带非定常力预测的影响研究

为了研究亚格子模型对泵喷推进器非定常流动与宽带非定常力预报结果的影响,采用分块结构化网格建立了模型尺度下艇后泵喷推进器的计算模型,并进行了大涡模拟数值计算。从艇尾非定常流场特征量和推进器转子脉动载荷两个方面对比了三种不同亚格子模型计算结果的差异,并分析了泵喷内部流动与转子非定常力间的内在联系。研究结果表明:三种亚格子模型均能得到含有叶频宽带峰的轴向推力谱,且整体趋势相近。泵喷转子上游的湍流强度和尺度的分布对亚格子模型较敏感,其中Smargrinsky-Lilly模型得到的湍流强度较强,尺度较大,该模型下的湍流谱在非平衡区量级较大,但由低频向高频的衰减较快,并且预测到的分离区范围大,导叶尾缘脱落涡分散,导致转子上游来流空间分布不均程度较强。对于转子叶片上的载荷脉动,Smargrinsky-Lilly模型预测的推力谱中线谱成分明显,并且叶频处宽带谱峰“陡峭”,而WALE模型和KET模型的结果宽带特性较强,对比非定常推力测试结果可知,WALE模型和KET模型更适于该问题宽带非定常力预测。

大尺寸螺旋桨空化引起桨叶非定常力的数值模拟

对某实桨在均匀流场中的空化现象进行模拟,采用基于混合网格的Ansys/CFX对流场进行求解,结果显示,由于所处位置的静压力不同,不同桨叶的空化程度差异显著,空化面积出现周期性变化;在空化初期,桨叶非定常力不明显,而随着空泡数的减小,桨叶非定常力幅度逐渐增大,说明实桨尺度对桨叶空化的激振力具有较明显的影响。

泵喷宽带非定常激振力预报与参数分析

为预报泵喷推进器转子与湍流互作用宽频非定常激振力,在Sears函数的基础上,考虑随机湍流波的影响,推导了螺旋桨宽频非定常激振力预报公式,并与实验值对比验证了该公式。进一步考虑泵喷推进器转子工作在前导叶尾流场的情况,通过Gauss尾流模型建立叶片尾流湍流波数谱,通过经验公式计算叶片尾流场参数。推导得到泵喷推进器转子宽频非定常激振力预报公式,通过公式计算得到的宽频非定常激振力与数值计算结果相近。分析了流场参数的变化对推进器转子宽频辐射噪声预报结果的影响。研究得到,湍流强度只影响宽频非定常激振力预报结果的幅值,湍流积分尺度对幅值和频谱形状都有较大的影响。

小水线面双体船后螺旋桨非定常力特性研究

螺旋桨作为船舶主要振源,其非定常性能的研究对于船舶噪声和振动的控制意义重大。该文采用滑移网格技术,基于分离涡模拟方法(DES),对带首尾鳍船桨一体模型开展了螺旋桨非定常力的数值计算,研究了小水线面双体船后螺旋桨的非定常力特性,并通过与试验结果的对比考察了数值计算方法的精度。计算结果表明,螺旋桨受到的三向力和力矩均有明显的叶频特性,其中推力脉动幅值和水平弯矩脉动幅值较大;此外,分析得出了脉动压力和脉动压力幅值在船体表面局部范围内的分布规律,并将多个测点的脉动压力一阶和二阶叶频幅值与试验测量值对比,其中一阶叶频结果与试验值吻合良好。

舵空化的精细流场及其非定常水动力性能数值计算

[目的]为深入研究舵空化时的精细流场及其非定常水动力性能的相关规律,[方法]针对某型船的桨、舵模型进行建模,采用结构化网格、SST k-ω湍流模型和流体体积(VOF)方法对舵空泡进行计算。针对舵空泡问题进行实船观测试验,将舵空泡的计算结果与实船舵空泡的观测结果进行对比,验证数值方法的可靠性。对舵空泡的周期性变化进行探讨和分析,并基于空化和非空化2种状态对3种舵角下的舵空泡进行计算。[结果]结果显示,当空化范围较小时,空化对舵力时均值的影响较小,随着空化范围的增加,空化对舵力时均值的影响明显变大,尤其是舵效显著降低;一旦发生空化,舵非定常力的脉动幅值将大幅增加,且空化范围越大,舵非定常力的脉动幅值越大。[结论]研究结果可为评估空化发生后舵的水动力性能及舵的优化设计提供技术支撑。

横风下移动列车非定常气动力计算

为研究横风对移动列车非定常气动力的影响,该文介绍了两种获得移动列车脉动风速时程的模拟方法;基于准定常理论和气动权函数方法,推导了能同时考虑三个方向的湍流脉动和不同横风风向角效应的移动列车非定常气动力计算公式;通过数值算例,研究了不同参数对计算结果的影响。研究结果表明:通过气动权函数方法得到的非定常气动力会出现滤波和时间滞后效应;当考虑更多方向的湍流分量时,会获得更大的力脉动;横风风向角和侧向湍流分量会分别影响非定常力的均值和变异系数。

动网格方法在螺旋桨非定常轴承力数值计算中的应用

为了探究螺旋桨轴承力的非定常变化特性,研究了动网格(DM)方法在螺旋桨非定常轴承力(UBF)数值计算中的适用性问题。首先,通过3套不同质量网格的数值计算比较,进行网格无关性检验,选出合适的计算网格。进一步采用所选网格DM数值模拟,并将结果与滑移网格(SM)方法、势流(PM)方法及试验方法得到的结果进行对比。分析结果显示了DM方法得到的螺旋桨UBF结果与SM方法以及试验的结果吻合较好,且优于PM方法。同时,DM方法与SM方法得到的流场分布也几乎一致。研究表明:DM方法应用于螺旋桨UBF数值计算是可行的。

非定常短轴承油膜力公式的变分修正

本文采用了变分方法对非定常短轴承的油膜压力分布公式进行了修正 ,既保留了短轴承公式的简洁形式 ,又使其适用于大长径比轴承。得出了具有足够精度、适合轴颈大扰动情况下的有限长圆柱轴承非定常油膜力的解析公式。与差分充零算法相比 ,短轴承公式的结果在轴承长径比为 0 .6时 ,误差已经超过百分之二百 ,而本方法计算结果的误差小于百分之五。因此采用本方法既提高了短轴承油膜力公式的计算精度 ,又保持了油膜力公式的简洁形式 ,不失为进行转子