对转舵桨水动力性能研究

对转舵桨兼有操纵性能良好和推进效率高的特点,在科考船、海洋工程船等船型上有一定数量的应用。该文采用改进的延迟分离涡模拟方法模拟了对转舵桨的敞水性能,并与模型试验结果进行对比分析,结果表明:设计工况推进单元的推力系数与转矩系数数值模拟误差在3%以内,满足工程精度要求。通过不同舵角下的敞水模型试验发现,舵角对前桨敞水性能影响较小,而对后桨影响较大,案例中约2.5°舵角时推进单元横向力为0。通过空泡模型试验,观察立柱对前桨梢涡形态的影响,发现前桨梢涡与后桨桨叶及后桨梢涡相遇使该位置的空泡现象显著增强。基于对转舵桨各部分相互影响关系,引入诱导速度修正系数,将对转舵桨的桨叶设计问题转化为给定来流条件的桨叶设计问题。

半悬挂舵空化及其对非定常力的影响研究

为深入研究空化后半悬挂舵非定常水动力性能的相关规律,采用结构化网格、DES湍流模型和VOF方法对某大型舰船的半悬挂舵空泡进行计算。探讨和分析舵空泡的周期性变化,同时简要分析半悬挂舵的间隙空化及端部空化产生的原因。基于空化和非空化2种状态对3个不同舵角下的舵空泡进行计算,总结了舵横向力、舵轴扭矩等非定常力的规律。结果表明:当空化区域较小时,空化对舵非定常力几乎没有影响,随着空化区域的增大,舵效显著降低;空化发生后,舵非定常力的脉动幅值将急剧增大,且空化区域越大,舵非定常力的脉动幅值越大。该研究结果可为评估空化状态下半悬挂舵的水动力性能及对舵进行优化设计提供技术支撑。

半悬挂扭曲舵水动力及空化性能研究

In this study,we designed a new,semi-balanced,twisted rudder to reduce the surface cavitation problem of medium-high-speed surface warships.Based on the detached eddy simulation(DES)with the Spalart-Allmaras(SA)model(SA-DES)and the volume of fluid(VOF)method,the hydrodynamic and cavitation performances of an ordinary semi-balanced rudder and semi-balanced twisted rudder at different rudder angles were numerically calculated and compared using the commercial computational fluid dynamics(CFD)software STAR-CCM+with the whole-domain structured grid.The calculation results showed that,under the same working conditions,the maneuverability of the semi-balanced twisted rudder basically remained unchanged compared with that of the ordinary semi-balanced rudder.Furthermore,the surface cavitation range of the semi-balanced twisted rudder was much smaller,and the inception rudder angle of the rudder surface cavitation increased by at least 5°at the maximum speed.In conclusion,the semi-balanced twisted rudder effectively reduced the cavitation of the rudder surface without reducing the rudder effect and exhibited excellent anti-cavitation performance.

抗空化扭曲舵的设计及其水动力性能分析

通过面元法计算螺旋桨尾流场,根据螺旋桨尾流场对扭曲舵各剖面的几何攻角进行设计,提出了抗空化扭曲舵的设计方法;采用计算流体动力学方法评价舵的水动力性能,并经过拖曳水池的舵力测量试验加以验证.结果表明,在不同的航速和舵角条件下,与普通舵相比,扭曲舵的负压力系数峰值明显较小,从而大幅提高了舵的抗空化性能,降低了舵的空化剥蚀和由舵产生空泡所引起的振动噪声.由于扭曲舵与螺旋桨的尾流匹配良好,在舵角为0°时,扭曲舵叶背的压力系数分布与叶面的压力系数分布基本重合,因而显著减小了直航时舵上的横向力和舵轴力矩,有利于舵和舵机的受力.

扭曲舵空化起始航速分析

针对水面中高速舰船舵的空化问题,研究了普通舵和扭曲舵的空化特性,比较了两种舵的空化起始航速。通过CFD方法,对桨后舵水动力性能进行了数值计算,得到普通舵和扭曲舵的在各种工况、各种舵角条件下的压力分布特性,通过考查两种舵的压力分布特性,对普通舵和扭曲舵的空化起始航速进行了计算评估。结果显示:在各航速各舵角下,扭曲舵的压力降峰值比普通舵明显减小,可以大幅提高舵的空化起始航速,在舰船0舵角直航时,扭曲舵的空化起始航速可以提高5.9 kn。因此扭曲舵可以减小舵上空化剥蚀和振动,对舵的使用寿命和舰船的隐身性是有利的。

超空泡航行器舵效的水洞试验研究

为了获得超空泡航行器可控弹道与总体设计输入条件,对通气超空泡的生成和尾翼舵角的力学特性进行了缩比模型试验.通过改变通气量和尾翼舵角,对模型超空泡的形态和力学特性进行了深入分析,获得了尾翼舵角对升力的影响规律及尾翼舵效随攻角和通气量变化的规律,并探讨了由于空泡尾部重力效应引起的上漂现象的补偿方法.试验结果表明:在沾湿条件下,水下超空泡航行器尾翼舵面升力线斜率可取正值常数进行全域投影,这与同样条件下常规水下航行器相同;完成超空化后,当攻角为0.4°时,主体空泡耦合升力损失将导致舵效减小,且舵效对通气量的改变不敏感;当攻角大于1.2°后,舵效特性逐步恢复,此时主体空泡已经脱离翼面,舵面处于沾湿状态.

桨后舵片空化的面元法数值计算方法

舵空化不仅会对舵叶产生剥蚀作用,而且还会引起船体艉部振动和噪声增大,针对舵的空化问题,建立了桨后舵片空泡的面元法数值计算方法。通过面元法对螺旋桨的水动力性能计算得到了螺旋桨表面及尾流面的奇点强度,进而得到螺旋桨的尾流场,以此作为舵的来流输入条件,再通过基于速度势的面元法对舵上的片空泡进行计算,最终得到舵片泡的范围和厚度分布。通过该方法,研究了某型船的桨后舵在各航速各舵角的片空化形状,分析了各舵角时舵的空化起始航速,形成了舵空泡的快速计算方法,该方法可以在舰船设计阶段对舵的空泡性能进行评估,为舵的优化设计提供技术支撑。

楔形舵片失速特性的数值模拟和水洞试验

为获得楔形超空化舵片在大舵角情况下的失速特性并探究其失速机理,针对采用24°楔形舵片作为艉控制面的超空泡航行体在低速通气条件下的绕流问题,分别构建三维数值模型和水洞试验系统,同时采用数值模拟和水洞试验两种手段研究楔形舵片的升/阻力特性和低压面空化情况随舵角的变化关系.研究结果表明：提出的数值方法和试验方案是合理的;楔形舵片的阻力系数在0°~5°舵角变化的影响较小,升力系数在0°~8°和9°~12°舵角范围内均具有良好的线性度,但后者斜率远小于前者;楔形舵片在舵角超过8°时升力系数突然减小并发生失速现象,舵片低压面发生空化并被空泡覆盖;低压面因空化致使压力不能进一步降低是导致舵片发生失速的根本原因,对于24°楔形舵片的许用舵角范围不应超过8°.

舵空泡对船体压力脉动的数值分析

[目的]船舶航行时舵表面发生的空泡将使船体产生振动和噪声,为了研究舵空化效应引起的船体压力脉动及其影响,[方法]基于Star-CCM流体计算软件,对实船在某航速下在5°和10°舵角航行时产生的空泡进行预报,分析船体压力脉动产生的规律。[结果]分析结果表明,舵空化效应对船体压力脉动有直接影响;在5°,10°舵角工况下,舵空化对船体造成的压力脉动幅值远大于舵表面不存在空化时船体表面的压力脉动幅值,舵发生空化效应越剧烈,船体表面压力脉动的波动幅值就越大。[结论]研究结果论证了舵空化效应对船体的振动和噪声有着直接影响。

桨后舵片空泡的分离涡模型模拟及实船舵空泡试验

为深入了解水面高速舰船的舵空化性能,本文采用计算流体力学(CFD)法对考虑船体影响的桨后舵片空泡进行计算,并在国内首次开展了实船舵空泡观测试验。通过对比确定了舵片空泡计算的分离涡模型,研究了螺旋桨和舵空泡发生的先后顺序、舵下端部的空化现象和舵空化的范围,并结合CFD计算和实船试验对不同航速、舵角的舵空泡进行研究,结果表明:在中低海况中的设计航速下,为保持航向航行,水面舰船普通舵表面会先于螺旋桨发生较为严重的片空化现象,且舵面空化范围主要集中在展向0. 1L～0. 6L位置;舵下端部和防腐蚀电极处则先于舵面发生空化。因此,水面高速舰船的普通舵易发生严重空化,而该研究可为研制具有良好抗空化性能的新型舵提供借鉴和参考。

4250 TEU集装箱船舵空泡试验研究

大型集装箱船航速高,主机功率大,实船航运中半平衡舵上易产生由空泡引起的剥蚀危害。为改善这种状况,在船研所空泡水筒进行了4 250 TEU集装箱船舵空泡试验研究。观察操舵过程中舵空泡产生的情况,探讨降低舵剥蚀的方法,延长舵的有效使用年限。

扭曲舵空泡观测实船试验研究

为验证扭曲舵的抗空化效果,在前期完成扭曲舵设计及实船换装工作的基础上,首次在国内开展了扭曲舵和普通舵的空化实船观测对比试验,对两种舵在设计航速和最大航速下固定舵角工况和直航自动舵工况的空泡进行了比较。结果表明:在相同航速工况下,扭曲舵的舵面空化起始舵角可提高10°左右,可以消除舰船常用航行状态下舵面的空化问题;在高航速大舵角工况时,扭曲舵的空化面积远小于常规舵;在扭曲舵优化的基础上,防腐蚀电极新型安装结构和舵下端导流罩可以有效解决防腐蚀电极和舵下端面的空化问题。通过扭曲舵空泡观测实船试验,证明了扭曲舵具有良好的抗空化性能,为抑制水面舰船舵空化剥蚀、降低船尾振动噪声提供了有效途径,具有优良的应用前景。

船用水动力节能装置分析

水动力节能装置是提高EEDI和EEOI的重要手段之一,分析了常用的船舶水动力节能装置的结构形式、作用原理、适用范围以及应用实例,为水动力节能装置的设计和应用提供参考。

基于试验方法研究普通舵空化特性

为了探索普通舵在舰船中高航速范围内空化的变化规律,针对舰船普通舵空化问题进行了桨后舵模型的水洞空泡试验,通过分析一系列不同工况下普通舵的空化现象,研究了不同航速、舵角下普通舵空化的变化规律。试验结果表明:普通舵在0.2~0.6倍舵展长区域内最容易发生空化,与实船舵空化剥蚀区域基本吻合;在23kn航速工况下,普通舵发生空泡的起始空泡舵角为0°;另外,结合普通舵发生空化的起始舵角规律以及舰船直航时打舵角范围,可以分析出舰船在21.5kn航速航行时,普通舵不可避免会空化发生。通过普通舵模型空泡试验方法观察了不同航速、舵角下的舵空泡状况,得出了普通舵空化位置、面积与舰船航速、舵角的一般规律,为普通舵的优化设计和解决舵的空化问题提供了重要参考。

实船舵空化现象试验观察

空化是高航速下水面舰船螺旋桨及舵等附体上常见的现象,空化的产生会带来振动、噪声和空蚀等一系列问题,直接影响舰船的舒适性和局部结构的安全性.而由于国内有关实尺度舵空化数据的缺乏,导致人们对于实船舵空化的状况仍知之甚少.本文通过试验方法观察了某一实船舵在一定航速、一定舵角下的空化状况,获得了实船舵空化出现的位置及程度,为实尺度舵空化问题的认识和优化提供了一定参考.

扭曲舵抗空化性能模型试验研究

为研究扭曲舵的抗空化性能,在空泡水洞中对带导流罩的扭曲舵和常规舵进行空泡观测对比试验,试验中观测了两者的舵面空泡和舵下端面空泡。试验结果表明:在相同航速工况下,扭曲舵的舵面空化起始舵角提高7°～8°;扭曲舵下端导流罩的空化起始航速可提高7kn以上,其空化起始舵角可提高15°;当水面舰船在高航速小舵角时,扭曲舵可消除舵面的空化剥蚀影响;当水面舰船在高航速大舵角时,扭曲舵可有效降低空化剥蚀的面积。因此,扭曲舵具有良好的抗空化性能,在水面舰船领域具有广泛的应用空间。

悬挂式扭曲舵的设计和计算

以某支线集装箱船为研究对象,逐步论述、权衡并确定其舵的几何参数,根据该几何校算所需的舵杆直径和舵机功率。采用CAESES和STAR-CCM+软件分别进行舵的参数化建模和舵周流场的数值仿真,基于流场信息完成舵的扭曲设计,最终得到与该集装箱船相匹配的扭曲舵方案。数值试验结果表明,该设计扭曲舵在节能和抗空化性能方面的表现相比普通舵有较为可观的提升。

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。

高性能舵的发展及技术现状

舵的性能与船舶性能密切相关,高性能舵的应用对提升船舶操纵性和快速性有着重要意义。从效能、效率及空泡性能这3个方面对高性能舵的发展和技术现状进行综述,分析4种高效能技术、3种高效率技术、3种效能与效率综合优化技术以及3种抗空化技术的作用机理及其性能优缺点,提出针对不同船型特点的高性能舵设计方案。通过综述揭示:舵的效能和效率是相互制约的两个方面;对舵的效能和效率进行综合优化,已逐渐成为舵设计技术发展的重要方向;高航速船舶应关注压力分布、端部分离和间隙流动对舵空泡性能的影响。基于研究现状提出了高性能舵未来发展的技术趋势。对高性能舵技术的分析和展望可为未来高性能舵的开发设计提供思路和参考。

基于CFD方法的6500TEU集装箱船舵空泡腐蚀数值模拟研究

舵的空泡腐蚀研究在船型优化设计和新船型开发中具有重要意义。文章以6 500 TEU集装箱船的NACA0021舵为研究对象,通过对船、桨、舵整体三维建模,运用CFD方法在3D计算域下对舵的非定常空化现象进行数值模拟,得到了与试验比较一致的结果。同时还对改善舵空蚀现象的措施进行了分析。研究表明,通过整体建模的数值模拟方法对舵空泡性能进行预测研究,其结果是合理可信的。