喷水推进器进水流道格栅流固耦合特性研究

为了研究格栅部件对喷水推进船舶效率的影响,本文拟采用流固耦合的数值计算方法系统地对格栅表面受力及其强度特性进行计算,结合有限元方法和流固耦合理论,以STARCCM+和ABAQUS软件为工具,根据目前已知的格栅剖面设计方法,对目前格栅的剖面形式进行改进,形成新型对称剖面形式的格栅。基于上述计算流体力学与流固耦合计算方法对其进行周围流场、结构静力强度、结构动力强度进行计算与分析。结果表明:对称形式的格栅剖面对于降低格栅的变形与应力水平有一定的帮助,采用新型对称形式的剖面结构使格栅总体变形模式发生了变化,但是最大变形位置与最大应力出现在格栅的位置未发生明显变化,新型对称剖面形式格栅具有比较好的静强度与动强度特性,各栅条均匀承受流体载荷。

限制水域下喷水推进器水动力特性研究

本研究采用数值模拟方法对无限水域和限制水域中喷水推进装置的水动力特性进行对比分析,开展不同水深条件下喷水推进器进流特性、进口流道效率和推进泵水力特性研究,并据此评估开式循环水槽环境下水槽侧壁和底面限制对喷水推进装置水动力性能的影响。数值计算结果表明:限制水域下喷水推进船底部和水槽底面间水流因阻塞效应使速度增加产生回流,水槽侧壁对自由液面兴波产生反射,随着水深减小,流道进口获流区平均轴向速度明显增加;不同水深吃水比下,进水流道出口非均匀度增加,但进口流道效率变化不大;相比于无限水域条件,限制水域中推进泵流量系数、扬程系数和泵效率的预报结果偏高1%~2%。

基于Matlab＿GUI的双泵喷水推进船舶仿真平台设计

基于Matlab_GUI设计了双泵喷水推进船舶仿真平台。该仿真平台包含了船舶操纵性试验仿真,由船舶控制器实现航行任务和实物仿真3个功能。其中,操纵性试验仿真主要涉及回转试验、Z型试验仿真及参数计算;由船舶控制器实现航行任务是指通过模糊PID、滑模控制、预测控制等控制方法实现横移、航向保持等航行任务;实物仿真是指通过串口通信实现数据的实时采集与分析处理,并进行图形化显示。最后将源程序封装成独立于Matlab运行的exe文件,使得仿真平台能够便捷、高效的运行。

喷水推进组合体组合舵在不同航态下的内部流动数值模拟

喷水推进组合体作为我国独创的一种节能型推进装置,其推进效率、操作性能和变工况适应能力的优势显著,在研制到应用的过程中已得到充分体现。通过调整舵壳及舵板的转动角度实现航态控制,对不同转动角度下的推进组合体各部件及整体进行受力分析,并对不同航态下组合舵的内部流动及尾流场进行分析。结果表明:舵壳和中舵板的同步转动改变了组合舵内部流道的压力和速度分布以及喷口后流体的流动方向,以此控制船舶正航转向;小角度转动时相对转动与同步转动效果相似;通过对中舵板转动角度的调节可控制前后出流方向的流量,中舵板在较大相对转动角度时将使得舵内有效流道面积减小,喷口尾流从舵内偏折并从间隙反向喷出,可控制船舶减速或倒航。

喷水推进收缩流泵导叶的水动力优化设计方法

为解决新型喷水推进收缩流泵因径向尺度小、导叶动负荷大引起的水动力问题,提出一种用于喷水推进收缩流泵导叶水动力设计的三元可控速度矩方法.基于收缩流式叶轮,通过控制过流面积变化优化导叶子午面,实现从泵进口到出口的全收缩.根据可控速度矩原理,针对叶轮出口流场与收缩流式导叶特点给定子午面速度矩分布,完成了导叶片三元可控速度矩设计,建立了收缩流式导叶模型.应用经过试验验证的推进泵数值模拟试验方法进行推进泵内流场与外特性计算分析.结果表明,设计工况点处推进泵模型效率由原设计的87%提升至90%,导叶轴向长度缩短了20%.设计优化效果显著,能够满足工程应用要求,从而解决了水动力问题.

喷水推进操舵控制系统干扰观测器设计

介绍了喷水推进操舵控制系统的工作原理,对某船舶喷水推进器中的操舵控制系统进行了建模,设计了负载干扰观测器.仿真结果表明,基于干扰观测器的2自由度控制能够提高操舵系统的抗强干扰性能.

喷水推进船舶操舵控制系统建模及同步控制

喷水推进是一种广泛应用的船舶推进技术。论文首先分析喷水推进操舵控制系统各个环节的功能,并对某船舶喷水推进操舵机构进行建模。然后将操舵机构实际运动采样值与模型输出值进行对比,验证了模型的有效性。同时对提出的左右操舵机构运动同步控制策略进行实验验证,结果表明,此策略的加入对左右操舵机构运动的同步性能有明显提高。

喷水推进装置推力直接测量台架的研究开发

通过使被测喷水推进装置悬浮,并使其在船尾板和船底板上脱离推力传递,从而在国内首次实现了喷水推进装置推力的整体分离与直接测量的构想。基于带自由液面的循环水槽,对试验台架的固定和悬浮系统的构成、吸入流量与空化衡准、变速传动系统配置以及机构受力平衡等多方面内容开展了深入的研究。该试验台架除了可进行推力直接测量外,还可开展动量通量法试验和推进效率试验。

两种尾部附体在过渡型船舶上的对比研究

为了研究阻流板和压浪板在过渡型船舶上的适配性,对某过渡型船舶进行了安装节能附体前后的阻力试验及数值研究。探讨了压浪板下反角α=5°,10°以及15°时的船舶水动力性能,并结合前期的阻流板研究成果,对两种附体的适配性进行了对比研究。结果表明:STAR-CCM+可以对船舶阻力进行准确预报,并能较好地捕捉方尾船的尾流场特征;0.334≤Fr≤0.584时,压浪板(10°)能够使船模阻力平均降低6.54%,其中Fr=0.4时,减阻率最高可达8.61%。压浪板(10°)对船舶尾流场的改善更加显著,但其附体阻力要高于阻流板(Z2);综合结果:当Fr≤0.5时,压浪板(10°)的减阻效果更好;当Fr>0.5时,阻流板(Z2)的减阻效果更优。

喷水推进泵叶片数及安放角对外特性和噪声性能的影响分析

以某型喷水推进混流泵水力模型为基础,改变叶片数和叶片安放角的设计参数得到多型喷水推进泵。在此基础上构建计算模型,利用多面体网格对整个计算域进行了网格划分,结合SST湍流模型分析了喷水推进器内部流场特征。进一步结合Curle宽带偶极子噪声源模型,分析喷水推进泵噪声性能与叶片数和安放角的关系。结果显示,Curle宽带噪声源模型可以定性评估不同推进泵噪声性能的优劣。随着叶片数的增加,推进泵宽带噪声级有升高的趋势,安放角对推进泵宽带噪声级的影响存在一段最佳范围,对应攻角范围为-2°~3°。

船体后体形状对船舶操纵性的影响研究

在型线优化过程中,综合考虑阻力、操纵水动力性能,为能设计出综合性能优的船舶线型奠定基础。采用平面运动机构(PMM)进行某船F1A1以及F1A3两线型在设计吃水状态下的直航、斜航运动和摇首运动等试验,对两型船的阻力进行分析,回归得到相关的水动力系数,分析后体形状对船舶操纵水动力的影响,并通过数值模拟,分析两船的回转性、应舵性和航向纠偏能力。

弹性螺旋桨纵向激励力特性研究

螺旋桨纵向激励力是引起舰船艉部振动噪声的重要原因之一,对其研究有利于舰船艉部的振动噪声控制。通过面元法耦合有限元法建立螺旋桨双向流固耦合动力学模型,计算P438X系列螺旋桨在不均匀流场下的纵向激励力,研究桨叶弹性、侧斜角等因素对纵向激励力的影响。结果表明:当激励频率小于螺旋桨一阶固有频率一半时,桨叶弹性效应对纵向激励力影响很小,可对其按刚性螺旋桨处理;当激励频率接近螺旋桨一阶固有频率时,桨叶弹性对纵向激励力有显著放大效应;刚性螺旋桨侧斜角越大,纵向激励力越小,然而考虑桨叶弹性后,过大的侧斜角将降低桨叶各阶固有频率,从而恶化纵向激励力。因此需要结合激励频率、桨叶固有频率设计合适的侧斜角。

泵喷推进器水动力及流场特性研究综述

泵喷推进器(简称泵喷)是一种多部件组合式水动力推进装置,由导管及导管内的旋转叶栅(转子)和静止叶栅(定子)组成,具有高临界航速、重载、高效率和低辐射噪声等特点,最早于20世纪中叶在国外出现,初期主要用于鱼雷推进,后拓展到潜艇推进,目前国外潜艇、高速鱼雷普遍采用泵喷推进,国内外泵喷的研究和应用存在巨大差异.近年来,因国外技术封锁、潜艇装备发展需求和拓展泵喷应用等,泵喷推进技术成为水下装备领域的研究热点.泵喷各部件间流场相互作用复杂、与航行体耦合程度高,其应用和推广需要对其水动力和流场特性的深入认识.本文介绍了泵喷的基本构成和特点,按方向和目的总结了泵喷的水动力和流场特性研究现状.从水动力特性的角度,介绍了泵喷推进器的推进特性、预报方法和水动力变化规律.从流场特性角度,介绍了间隙流场、转-定子干扰流场和尾流场等.分析并总结了泵喷水动力和流场特性的研究以及实际应用中所面临的主要挑战,提出对未来研究的展望.

喷水推进船自航功率特性数值计算与分析

喷水推进船的功率传递和推进效率成分与螺旋浆推进存在着显著差别。论文针对一艘喷水推进三体船,基于求解RANS方程,采用稳态多参考系(MRF)模型来模拟实泵,进行了带自由液面的喷水推进三体船自航数值模拟,并基于国际拖曳水池会议(ITTC)推荐的动量通量法对喷水推进的功率传递和效率分量进行分析,得到喷水推进总效率及其效率分量在不同航速下的变化规律。数值计算结果与自航试验结果吻合良好,表明该数值计算方法可以准确地预报喷水推进船体的自航性能。在低速时,推力减额主要受阻力增额分数的影响;在整个航速范围内,流道的效率和泵的效率随航速的变化不大。提高喷水推进总体效率要从提高流道效率、理想喷水效率和水泵效率入手。通过对功率传递和推进效率成分的分析,不仅能更好地理解船体-喷水推进的相互关系,而且根据计算得到的效率成分变化规律可以进行喷水推进器功率的估算,从而选择与之相匹配的主机,具有一定的学术科研价值和工程应用价值。

基于CFD的喷水推进器流道与喷口优化

为提高喷水推进器的水动力性能,对喷水推进器的流道与喷口进行了基于数值计算的优化研究。对一台喷水推进泵模型进行了敞水性能数值计算,验证了数值计算方法的准确性和有效性。对喷水推进器流道以及喷口进行参数化的几何重构和优化计算,考察流道与喷口参数对推进性能的影响。研究结果表明:在设计航速下,优化后的喷水推进器的转矩基本没变,推力和效率分别提高了2.53%和2.45%;在全航速范围,推力和效率平均分别提高了2.45%和2.49%。喷口变化对喷水推进器性能的影响大于流道变化对其的影响。适当增加流道倾角和降低导流帽倾角可提高推进性能。降低导流帽的倾角还可减弱导叶处的流动分离,改善导叶附近的流场。

基于扩张状态观测器的智能船舶循迹预测控制

欠驱动船舶循迹过程中受到时变多源干扰的影响,同时在航行转艏处易产生控制力突变现象。针对上述两方面的问题,文中将扩张状态观测器(ESO)与模型预测控制(MPC)相结合,提出了一种最优循迹控制方法。首先,设计了扩张状态观测器对时变多源干扰进行补偿并提供低频控制输入;其次,以优化船舶航行控制力为目标,设计了一种非线性MPC控制器;最后,基于非线性分离式原理证明了ESO-MPC级联控制器的稳定性。并通过与自抗扰控制方法(ADRC)及MPC控制方法进行仿真对比,验证了该控制方法的有效性。

云空化结构的溃灭与空蚀风险预估研究进展

空蚀是流体机械中普遍存在的现象。空蚀研究涉及空化结构的产生、运动和溃灭过程,分析获取空蚀引起的冲击载荷,并评估特定材料在冲击载荷下的抗冲击能力变得尤为重要。由于空化结构的生成和溃灭过程中涉及复杂的物理机制、宽泛的时空尺度,开展空化结构的溃灭和空蚀风险预估研究具有诸多挑战。文章首先梳理了针对云空化结构溃灭和空蚀破坏方面已开展的理论、数值和实验研究,然后介绍基于能量输运的空蚀风险预估模型方面开展的初步工作,最后探讨了今后在该领域可能的研究方向。

喷水推进器获流区形状的确定与影响因素研究

在喷水推进器进口流道内外流场数值模拟的基础上,通过在Star CCM+软件中编制宏命令,在一条从获流区顶部中点发出的射线上用二分法取点,生成经过该点的流线,并判断其是否进入流道内部,逐次逼近止于喷水推进器进口唇口的流线,可快速、准确地确定获流区的边界,提高喷水推进器推力预报的精度。考察进口流道几何、来流条件等参数对获流区形状的影响,其中进速比、船底边界层的影响较大。

结合Savitsky方法和重叠网格技术的滑行艇阻力数值计算与分析

[目的]为提高数值预报精度,对滑行艇的静水阻力高精度数值模拟方法进行研究。[方法]应用计算流体动力学(CFD)方法,结合Savitsky方法和重叠网格技术,对滑行艇在静水中的三维黏性流场进行数值模拟,并对不同载荷系数和航速下滑行艇的流场特性进行分析。[结果]结果显示,滑行艇的阻力、升沉及纵倾角等计算结果与试验结果吻合良好,艇底的喷溅现象及水气分布模拟正常,表明采用所提方法可以准确、有效地预报滑行艇的阻力性能;随着载荷系数的增加,龙骨线压力系数的峰值增加,压力中心位置逐渐前移;随着航速的增加,龙骨线压力系数的峰值减小,压力中心位置逐渐后移,驻点线与中纵剖面的夹角减小,艇后“空穴”的深度减小、长度增大。[结论]所做研究可为滑行艇阻力预报提供一种准确、有效的数值计算方法,能为滑行艇水动力性能数值研究提供技术支撑。

模型泵水下低频辐射噪声测试装置的设计与验证

为了在设计阶段实现推进泵水下低频辐射噪声的测试与评估,在模型泵水力性能测试装置的基础上,提出了基于矢量声强法的模型泵水下辐射噪声对比测试方法,研制了基于二维圆弧面扫描方式的推进泵模型水下辐射噪声测试装置。测试系统采用两只一维矢量水听器组成测试线阵,实现模型泵水下辐射声功率的测试与计算。系统测试精度通过标准声源进行验证。结果表明:系统测量的绝对误差不大于±2 d B,重复性误差不大于±1.5 d B。该测试装置为推进泵的噪声控制及研究提供了比对测试试验手段和分析基础,也可为其他模型泵的噪声评估提供参考。