基于船-桨-舵组合系统舵球节能效果数值预报

以KCS船、KP505桨及NACA0018舵为研究对象,基于FINE/Marine软件,运用滑移网格技术,根据提出的翼型舵球尺寸,对粘性流场中的桨-舵、桨-舵-舵球组合系统进行水动力性能计算。计算得出该翼型舵球在低进速下,最佳节能效果可达1.66%。在此基础上,对船-桨-舵、及船-桨-舵-舵球系统进行计及自由液面的非定常干扰数值模拟,计算结果表明船-桨-舵-舵球系统的计算结果与桨-舵-舵球系统计算值趋势一致,且该舵球在航速V=2.1968m/s时,其节能效果达2.06%,是相同进速系数下,桨-舵-舵球组合系统的两倍左右,验证了该翼型舵球在两种组合系统下的节能效果,为舵球的实际工程应用提供了重要的理论依据。

舵球对桨-舵组合系统水动力性能影响的研究

针对某一MPV2200散货船的敞水试验桨和NACA66翼型舵,利用CFD软件对螺旋桨的敞水性能进行预报,计算结果与试验值的相对误差在6%以内,验证计算方法的可靠性。附加舵球结构,通过舵球直径和桨毂直径的比值(Db/Dh)变化,研究舵球直径对桨-舵-舵球系统的水动力性能的影响。计算结果表明,对于本桨-舵系统,Db/Dh=1.50时,舵球的节能效果最佳。该值和文献中给出的舵球最佳尺寸范围基本吻合,验证了该方法的有效性。随着进速系数J的变化,桨-舵-舵球系统与桨-舵系统的效率增幅也会发生变化,最大效率增幅可达到2.53%。这也为舵球的优化设计提供了参考。

翼型舵球几何参数对桨-舵系统节能效果的影响

以KP505桨及NACA0018舵为研究对象,基于CFD软件FINE/Marine,运用滑移网格技术分别预报了单个螺旋桨及桨-舵组合系统的水动力性能.计算结果表明:裸桨的预报结果与实验值吻合良好,在进速系数为0.1~0.8时,相对误差均在5%以内,且在低进速下,桨-舵系统总效率较裸桨效率有所提高,最高提高1.27%;在高进速下,桨-舵系统总效率降低较大,最大降低6.36%.在此基础上,对桨-舵-舵球组合系统进行计算,通过改变翼型舵球的几何参数,讨论舵球尺寸对桨-舵系统节能效果的影响.结果表明:当翼型舵球剖面相对厚度比为0.28,且最大直径与螺旋桨直径之比为0.16时,节能效果最好,最佳节能效果达到1.62%.同时,通过对桨-舵系统与桨-舵-舵球系统的尾流场进行比较分析,得出舵球的节能原理,为舵球的实际工程应用提供了重要的理论依据.

滑模预测离散变结构控制用于船-舵伺服系统

提出基于滑模预测思想的离散变结构控制设计新思路,以不确定系统的名义模型作为滑模预测模型,以理想趋近律作为参考滑模轨迹,将预测控制中滚动优化、反馈校正的思想引入离散准滑模变结构控制系统的设计。将理论成果应用于船一舵伺服系统设计了航向自动舵,仿真结果表明,该文方法可有效消除抖振现象,设计的航向控制器可以快速准确地跟踪设定航向,并且能够有效抑制参数摄动和外界风浪干扰对船舶运动的影响,具有很强的鲁棒性。

KVLCC2船-舵系统斜航水动力数值计算

通过求解RANS方程,选取RNGk-ε湍流模型,在模型尺度下对KVLCC2船-舵系统处于不同漂角时的斜航黏性流场进行数值模拟.首先采用3套网格进行网格收敛性分析,然后通过计算结果与试验数据比较,验证数值计算方法的可靠性.在此基础上,计算了舵角为零时不同漂角下以及不同舵角、不同漂角下作用在船-舵系统上的横向力和转首力矩,并对计算结果进行了分析.

螺旋桨-扭曲舵系统水动力性能数值预报

采用CFD方法对由螺旋桨和扭曲舵组成的桨-舵系统的水动力进行数值计算,采用非定常RANS方程和RNG k-ε湍流模型,使用滑移网格模拟螺旋桨旋转。对由B4-70型螺旋桨和常规舵组成的桨-舵系统进行数值计算,和试验数据对比验证数值方法的有效性;以某螺旋桨及NACA剖面常规舵、扭曲舵、带舵球的扭曲舵和带端板的扭曲舵4种舵型为对象的桨-舵系统进行数值预报,分析舵型对螺旋桨水动力性能的影响、舵表面压力分布以及不同舵角下舵升力的变化规律。结果表明,设计工况扭曲舵能提高敞水效率的效果;大舵角时,扭曲舵可以提高舵升力;选择扭曲舵的时候,要考虑与螺旋桨的配型问题。

导管桨-舵系统水动力性能研究

以某拖网渔船的导管桨与舵作为研究对象,利用FLUENT软件分别对该渔船导管桨敞水以及桨-舵系统的水动力性能进行了系统研究。探索了舵的存在对导管桨性能以及桨后尾流的影响,研究了不同舵角下桨-舵系统的水动力性能。研究结果表明:舵的存在降低了导管桨的水动力性能。随着舵角的增大,整个系统的推进效率逐渐减小;进速系数越大,推进效率降低越明显。

桨-舵间距对其组合系统水动力性能的影响

通过计算流体动力学(CFD)方法对敞水桨、桨-舵组合和优化间距的桨-舵组合装置进行数值仿真研究,分析桨-舵间距对其组合系统水动力性能的影响。螺旋桨敞水工况的计算值与物理模型试验值的吻合度良好,验证了数值计算方法的可行性。通过对比桨-舵间距大于推荐值的3个工况发现:在较低的进速系数下,系统的节能效率稍有增加,随着桨-舵间距的增大,节能效率呈现下降的趋势;在较高的进速系数下,随着桨-舵间距的增大,节能效率逐步下降。在较低的和中等的进速系数下,节能效率随着桨-舵间距的减小呈现逐步升高的趋势,在桨-舵间距减少10 mm时,组合体的节能效率最大可增加1.937%;在较高的进速系数下,节能效率随着桨-舵间距的减小有下降的趋势。

舵球装置对螺旋桨/舵系统水动力性能影响的仿真研究

基于计算流体动力学(CFD)理论和Fluent软件,采用分区混合网格方案和运动参考系法(MRF),结合RANS方程和RNG湍流模型计算螺旋桨与舵、舵球相互干扰的水动力性能。研究舵球直径对螺旋桨、螺旋桨/舵系统水动力性能的影响。结果表明:舵球直径与螺旋桨的直径之比存在最佳匹配范围,此时螺旋桨/舵系统的推力增加显著,螺旋桨的转矩系数基本不受影响,螺旋桨/舵系统的节能效果最大为2.413%,可为舵球的设计优化提供参考。

舵前进流的选择对桨舵系统性能的影响

为了验证舵前进流的选择对桨-舵系统定常性能的影响,计算了三种舵前进流下的桨-舵系统性能,结果表明,不同进流状态对桨-舵系统性能预报结果十分接近。文中还验证了舵面上诱导速度不取周向平均时对桨-舵定常性能的影响,并对这样计算的诱导速度峰值使用Lagrange插值处理。与试验值比较表明,在计算桨-舵定常性能时,以此方式来计算舵上诱导速度也有效。

采用扭曲舵的船-桨-舵的优化设计及验证

为兼顾不同工况下多工况船型均能具备较好的阻力性能和空泡特性,对母型船的船-桨-舵的推进系统组合进行优化设计。针对母型船的尾部船体线型与船桨匹配,优化主要剖面、螺旋桨,并选用高性能舵。对优化后模型进行敞水、自航、空泡试验,结果显示,对母型船船-桨-舵的推进系统优化有效提升了阻力性能,并且能够降低高速工况下的不利空泡影响。

螺旋桨对船舶操纵运动水动力影响的数值研究

船-桨-舵相互作用是影响船舶操纵性能的重要因素之一。本文采用RANS方程求解方法并结合SST k-ω湍流模型,计及自由面兴波影响,螺旋桨用体积力法建模,数值模拟了带桨、舵的全附体集装箱船KCS船模的舵力试验、斜拖试验。为研究螺旋桨对操纵运动水动力的影响,分别对带螺旋桨和不带螺旋桨的船-舵系统进行计算,对比了船模水动力随漂角、舵角的变化情况。研究结果表明:带螺旋桨的船-舵系统的水动力和力矩对舵角的变化更加敏感;螺旋桨的运转主要增大了船艉部的横向力;在舵力试验和带舵角的斜拖试验中,螺旋桨对横向力、转艏力矩有显著的影响。

斜流中操舵对螺旋桨性能影响研究

船舶斜航时,斜向流场将改变船后桨-舵系统的流场条件,从而影响到螺旋桨和推进性能和舵的操纵效能。本文基于计算流体力学(CFD)理论,以KP458螺旋桨和NACA0018舵为研究对象,通过求解RANS方程对斜流中的桨-舵系统进行数值模拟研究。通过计算螺旋桨和舵的敞水性能曲线,验证了数值方法及网格划分的合理性。考虑流场速度、斜流角以及舵角等因素,对螺旋桨水动力特性的变化和桨后涡演变进行数值分析。研究表明:随着斜流角的增大,螺旋桨的推力、转矩,横向力均有所增大,横向力与斜流角之间呈线性相关,推力及扭矩在高流速下与斜流角呈指数大于1的指数级变化关系;斜流中舵角的存在对横向力有减小作用;桨后涡的偏移角度随斜流角的增大而增大,左舷梢涡、随边涡与毂涡逐渐发生融合,而部分脱离的右舷梢涡逐渐向左舷扩散。

限制水域船-桨-舵一体舵力及脉动压力数值研究

为分析受浅水及岸壁效应影响下船-桨-舵一体的舵力和脉动压力的变化特性,基于RANS方程,考虑自由液面的影响,选取Realizable k-ε湍流模型和VOF模型,对船舶在限制水域航行时的水动力性能进行数值模拟。首先对螺旋桨敞水性能和船-桨-舵一体自航进行了数值计算,验证了数值和网格划分方法的合理性。然后分别考虑三个水深和船-岸距离,进行了舵力及脉动压力的数值模拟。研究表明:脉动压力随时间周期性变化且脉动频率相同,P2监测点处的脉动峰值波动最大,且各监测点处叶频BPF和倍叶频2BPF的脉动频率幅值呈现出不同的变化规律;舵力和脉动压力均受浅水效应影响较大,在水深吃水比为1.2时,随着船-岸距离的减小,舵纵向力由阻力变为推力,脉动压力几乎呈线性下降。

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。

CFD数值模拟船舶在波浪中的回转操纵运动

[目的]船舶回转操纵运动能够反映出船舶的回转特性,与船舶的航行安全密切相关。[方法]为此,采用基于重叠网格技术的CFD求解器naoe-FOAM-SJTU,对标准船模ONRT在波浪中自由回转操纵运动进行直接数值模拟。运用动态重叠网格技术求解船、桨、舵系统复杂运动,计算中,螺旋桨转速对应于静水中的船模自航点进行35°转舵,实现自由回转船舶操纵运动。通过全粘性流场的整体求解,给出波浪中自由回转操纵运动中船舶六自由度运动、螺旋桨和舵的水动力载荷变化,以及波浪中船舶的回转圈特征参数,并与同试验结果进行对比。通过数值计算得到精细的流场信息,分析波浪对船舶自由回转操纵运动的影响。[结果]数值预报得到的船舶运动轨迹、回转圈参数与试验值吻合较好,证明naoe-FOAM-SJTU求解器对于波浪中船—桨—舵相互作用下的船舶自由回转操纵运动数值预报的适用性和可靠性。[结论]船舶回转操纵运动的数值模拟,可为回转性能的评估提供有效的前期评估手段。

舵球几何参数对螺旋桨水动力性能的影响

为研究舵球几何参数对螺旋桨水动力性能的影响,用面元法计算了螺旋桨-舵-舵球系统的推进性能。采用双曲面元以消除面元间隙,对舵球网格进行加密,螺旋桨弦向和展向采用余弦划分方式。用迭代计算考虑螺旋桨与舵及舵球之间的相互干扰,螺旋桨与舵之间的诱导速度在面元处进行周向平均,将非定常问题转化为定常问题。首先用该程序计算了桨舵系统水动力性能,计算结果与试验值吻合良好。然后对舵球几何参数进行了变尺度计算,结果表明,舵球直径与螺旋桨直径存在最佳匹配值,使得螺旋桨效率最大;舵球长度存在临界值,当舵球长度小于临界值时螺旋桨节能效果增加显著。

实尺度船舶Z形操纵运动及流场特性模拟

[目的]为了更加真实地预报船舶操纵性能,有必要进行实船操纵运动直接模拟。[方法]首先,基于重叠网格技术进行实船拖航、配套螺旋桨敞水和实船自航计算,并将计算结果与试验结果进行对比;然后,在此基础上开展实尺度船舶的10/10标准Z形操纵运动模拟,分析船舶操纵运动过程中的船舶运动、水动力、流场及涡结构变化。[结果]自航结果表明,所提数值方法可靠;受螺旋桨尺度效应的影响,扭矩系数会有所减小;在操舵过程中,船舶运动姿态较为剧烈;受到船-舵系统干扰,桨后涡结构较为复杂,且随着漂角的变化会产生一定角度的偏移。[结论]采用所提数值方法进行实船操纵运动模拟,可以准确获得船舶运动、水动力特性及流场信息,能作为一种有效的前期评估手段,从而为船舶设计提供参考。

中高速船自航因子数值预报方法

以某400 t渔政船为研究对象,提出一种新的自航点确定方法,得到船舶实效自航性能,仿真计算船体阻力、螺旋桨单独水动力性能以及船舶全附体自航因子,计算结果与试验结果比较表明,新的船-桨-舵全耦合复杂系统自航计算方法既能保证计算精度又能缩短计算时间。

不同航速下螺旋桨对船舶操纵水动力的影响研究

通过数学模型进行船舶操纵性预报是常用的方法,以往的约束模试验通常仅在设计航速下进行,且MMG船舶操纵运动模型通常认为螺旋桨对船舶操纵水动力的影响可以忽略。但船舶在实际操纵运动的过程中航速会发生很大变化,螺旋桨对船舶操纵水动力的影响可能变得不可忽略,因此有必要开展相关船舶操纵水动力的研究。以KVLCC2为研究对象,对其裸船体、船-舵、船-桨和船-桨-舵系统分别进行不同航速下的约束模试验数值模拟,研究了不同航速下螺旋桨对船舶操纵水动力的影响。研究结果表明:螺旋桨对船舶操纵水动力的影响不可忽略,该影响随着船舶航速的减小而增大,但舵的存在会减弱其影响;螺旋桨对舵效有着较大影响,该影响随着船舶航速的减小也会明显增大。因此在进行船舶操纵性研究时,有必要进行非设计航速下的相关约束模试验。