Effect of Time Step Size and Turbulence Model on the Open Water Hydrodynamic Performance Prediction of Contra-Rotating Propellers

A growing interest has been devoted to the contra-rotating propellers （CRPs） due to their high propulsive efficiency, torque balance, low fuel consumption, low cavitations, low noise performance and low hull vibration. Compared with the single-screw system, it is more difficult for the open water performance prediction because forward and aft propellers interact with each other and generate a more complicated flow field around the CRPs system. The current work focuses on the open water performance prediction of contra-rotating propellers by RANS and sliding mesh method considering the effect of computational time step size and turbulence model. The validation study has been performed on two sets of contra-rotating propellers developed by David W Taylor Naval Ship R ＆ D center. Compared with the experimental data, it shows that RANS with sliding mesh method and SST k-ω turbulence model has a good precision in the open water performance prediction of contra-rotating propellers, and small time step size can improve the level of accuracy for CRPs with the same blade number of forward and aft propellers, while a relatively large time step size is a better choice for CRPs with different blade numbers.

对转桨非定常性能的CFD模拟(英文)

作为对转桨性能CFD计算研究的一部分,文章基于滑移网格模型,建立了前、后桨非定常相互作用的数值模拟方法,对两型具有不同叶数组合的对转桨进行了敞水条件的计算研究,将非定常推力、扭矩的时间平均值与相应的模型试验值进行了对比。通过非定常滑移面模型与定常多参考系模型(准定常模型)的计算结果之比较,研究了前、后桨相互作用非定常性对水动力的影响,发现:由于考虑了前桨尾涡对后桨桨叶的撞击作用,非定常模型能够比准定常模型更加精确地预报推力及扭矩的时间平均值及脉动量幅值。

带对转螺旋桨的对转永磁无刷直流电动机研究

分析了对转永磁无刷直流电动机和对转螺旋桨的数学模型,在Matlab/Simulink平台上,建立了对转电机和对转螺旋桨仿真模型,并对转速电流双闭环调速系统带螺旋桨负载进行仿真分析,仿真结果表明:内外轴系统的转动惯量应尽量相同,可提高推进系统的响应速度;合理地设计推进系统,可使内外转轴转速相等,提高推进效率。

固定吊舱式混合对转桨推进系统对船舶操纵性能的影响分析

针对使用固定吊舱式混合对转桨推进系统时舵叶与螺旋桨距离加大后影响舵效的问题,采用实船航行试验验证并与常规推进系统的姐妹船试验数据对比,分析固定吊舱式混合对转桨推进系统对船舶操纵性能的实际影响情况,结果表明,停船性能有所降低,回转性能仍保持远小于IMO衡准,初期小角度的航向纠正能力保持基本不变,航向稳定性明显改善。

对转螺旋桨用盘式永磁电机特性分析及其直接转矩控制

传统对转螺旋桨多采用燃气轮机和机械传动的驱动装置,该装置存在着结构复杂、体积庞大、噪声污染等问题,文中设计一种基于电力推进对转螺旋桨用的盘式永磁同步电机(disc contra-rotating permanent magnet synchronous motor,DC-PMSM)。在分析新型盘式对转永磁电机结构与工作原理的基础上,研究该电机的磁路特性,并通过三维有限元计算分析DC-PMSM的双转子反电势的叠加特性、双转子转矩特性等;然后,针对盘式对转永磁电机单定子双转子的特殊结构,提出一种基于转矩角分时控制的直接转矩控制策略,解决负载转矩不对称时盘式对转电机双转子转速不可控的问题,实现双转子的同步运行;最后,通过三维有限元仿真计算与原理样机实验分析,验证新型盘式对转永磁电机的设计方法的正确性和所提控制策略的有效性。

对转桨推进的高速水下航行体实尺度自航计算与分析

[目的]为了实现对转桨(CRP)推进的高速水下航行体自航因子的数值预报,[方法]建立实尺度航行体阻力、自航及对转桨敞水的RANS模拟方法,进行阻力和敞水计算精度验证,分别采用准定常和非定常方法进行自航模拟,并对自航因子进行分析和比较。[结果]模型尺度的计算与试验比较表明,航行体阻力计算误差小于3%,对转桨推力、扭矩计算误差分别小于2%和4%;实尺度阻力计算结果与基于模型试验的预报结果相差约3%;实尺度自航计算得到的自航因子值均在合理范围;自航因子的准定常与非定常计算结果之差小于2%,说明准定常方法适合于工程应用。[结论]研究方法可为对转桨设计提供较准确的输入数据,可为提高设计精度、缩短设计周期提供技术支撑。

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。

混合对转推进系统水动力性征数值研究

[目的]为研究混合对转推进系统的推进性能,[方法]采用滑移网格方法,分别对螺旋桨、吊舱推进器、混合对转推进系统的水动力性征进行数值模拟,分析混合对转推进系统中各推进成分相对于其单独工作时的水动力性征差异,研究混合对转推进系统中各部分之间的相互影响规律。[结果]结果表明:在混合对转推进系统中,后桨对前桨的抽吸作用导致前桨推力系数、转矩系数、敞水效率随进速系数的减小而减小,与单独螺旋桨的变化趋势不同;吊舱和桨毂的阻塞效应以及前桨非定常尾流对后桨的干扰作用,导致后桨推力系数、转矩系数及敞水效率与单独吊舱推进器的结果不同;混合对转推进系统效率低于单独螺旋桨,未能体现后桨对前桨尾流的吸能作用,因此在混合对转推进系统的设计研究工作中,需要进一步考虑前、后桨几何参数的匹配问题。[结论]研究结果可为混合对转推进系统的优化设计和工程应用提供参考。

基于BWI辐射效率的低气动噪声共轴对转螺旋桨的设计研究

将共轴对转螺旋桨气动噪声快速预测理论与气动载荷快速预测方法相结合,对共轴对转螺旋桨远场气动噪声进行预测。分析了BWI辐射效率对共轴对转螺旋桨BWI干扰噪声的主控影响。对从低至高的(单排6-12)前后等桨叶数对转桨进行了研究。结果表明虽然低桨叶数与高桨叶数对转桨的气动噪声特性不同,但是总体上前后指向性的高声压区仍然是由BWI噪声控制。同时等桨叶数的设计只是使高声压区更集中,却无法对其进行降低。随后,对比了不同桨叶数共轴对转螺旋桨远场气动噪声的表现,认为不等桨叶数对转桨气动噪声普遍优于等桨叶数情况。得出了总桨叶数相同情况下对转桨前后桨叶数的搭配方案。对近场噪声高精预测方法将在未来的研究中对辐射效率的具体机理进行研究。

新型具有端板效应的对转桨系柱工况的研究及验证

为了优化设计适用于深海潜水器姿态调整的新型双转子对转螺旋桨,在经典的CRP4对转桨基础上,用CFD方法改变对转桨的桨型组合,得到较优的桨参数。为了提高对转桨的功率裕度,提出了一种新型CRP-Kappel对转桨,完成了系柱状态下系列对转桨的试验,得到的螺旋桨组合在电机功率低于3 kW时推力达到800 N。CRP-Kappel对转桨的创新点在于将具有端板效应的非常规Kappel系列桨型应用到传统的对转桨设计中。在系柱状态和低进流速度下它比常规桨型性能更优异。完成了不同转速下的系柱试验和仿真计算,两者最大偏差在5%以内。