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侧斜与负载对螺旋桨无空化和空化水动力性能的影响

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计算力学学报 2012年第5期29卷 765-771页

作者：杨琼方王永生张志宏海军工程大学船舶与动力学院武汉430033 海军工程大学理学院武汉430033

为了定量分析空化初始航速的影响因素,首先分析侧斜和负载对螺旋桨无空化和有空化时性能的影响。以NSRDC 4381无侧斜桨和4383 100%侧斜桨为对象,采用改进Sauer空化模型和修正SST湍流模型,对空化崩溃性能、空化初生性能和无空化时正车、... 详细信息

为了定量分析空化初始航速的影响因素,首先分析侧斜和负载对螺旋桨无空化和有空化时性能的影响。以NSRDC 4381无侧斜桨和4383 100%侧斜桨为对象,采用改进Sauer空化模型和修正SST湍流模型,对空化崩溃性能、空化初生性能和无空化时正车、倒车以及紧急倒车敞水性能进行了计算与比较。结果表明,预报两个桨的敞水性能曲线和多空化数下的空化崩溃性能曲线均与实验值吻合较好。在中度负载区间(J=0.5～0.9)内,侧斜对正车和紧急倒车时敞水性能以及空化时推力和力矩崩溃性能均无明显影响,但会使倒车敞水性能显著下降。在重载和轻载条件下,侧斜均能明显改善空化初生性能。侧斜一定时,负载会直接影响尾流湍流速度脉动量和涡核集中区分布,影响轴面速度流管收缩程度,进而影响无空化和有空化条件下的推进性能。

关键词：螺旋桨空化初生推力崩溃侧斜负载

不均匀伴流场中螺旋桨空化的黏性流数值模拟和低频噪声预报

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声学学报 2012年第6期37卷 583-594页

作者：杨琼方王永生张明敏海军工程大学动力工程学院武汉430033 海军工程大学电子工程学院武汉430033

阐述了采用空化黏流CFD瞬态模拟和脉冲球形气泡辐射噪声理论相结合的思路在螺旋桨空化低频噪声谱预报上的应用方法。预报了全附体SUBOFF潜艇标称伴流条件下的NSRDC4383五叶大侧斜桨和某七叶大侧斜桨的片空化低频噪声谱,分析了桨叶负载... 详细信息

阐述了采用空化黏流CFD瞬态模拟和脉冲球形气泡辐射噪声理论相结合的思路在螺旋桨空化低频噪声谱预报上的应用方法。预报了全附体SUBOFF潜艇标称伴流条件下的NSRDC4383五叶大侧斜桨和某七叶大侧斜桨的片空化低频噪声谱,分析了桨叶负载和空化程度对线谱成分及其谱源级的影响。空化模拟时采用作者提出的且可信性经过验证的改进Sauer空化模型和修正SST湍流模型。噪声谱预报时空化体积由空化特征长度求取,较空泡表面球形等价假设更加合理。计算表明,七叶桨较五叶桨的确具有负载小、空化初生延迟、空化低频线谱噪声低的特征。在相同的基于航速的空化数下,非均匀进流与桨叶相互作用会明显增加线谱成分及其谱源级。在伴流、空化数和转速一定时,随着负载减小,推力、力矩和桨叶空化面积均会减小,但空化体积加速度幅度却变大,离散线谱噪声级增加且由奇次谐频为主转变为以偶次谐频为主;当仅减小空化程度时,谐频线谱成分明显被抑制,且1 kHz频率处谱源级减小2.54 dB。较完整地构建了螺旋桨空化水动力和噪声性能评估的数值平台,可用于指导艇尾低噪声桨的数值设计。

关键词：空化模型噪声预报数值模拟螺旋桨伴流场低频黏性流不均匀

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螺旋桨空化初生的判定和空化斗的数值分析

上海交通大学学报 2012年第3期46卷 410-416页

作者：杨琼方王永生张志宏海军工程大学船舶与动力学院武汉430033 海军工程大学理学院武汉430033

为了实现空化多相流模拟在螺旋桨空化初生和空化斗预报中的应用,采用改进Sauer空化模型和修正剪切应力输运(SST)湍流模型,对NSRDC4381桨的叶背和叶面片空化初生、梢涡空化初生和空化斗底线特征进行了模拟、校验和分析,提出了"当σ>σi时... 详细信息

为了实现空化多相流模拟在螺旋桨空化初生和空化斗预报中的应用,采用改进Sauer空化模型和修正剪切应力输运(SST)湍流模型,对NSRDC4381桨的叶背和叶面片空化初生、梢涡空化初生和空化斗底线特征进行了模拟、校验和分析,提出了"当σ>σi时,叶梢截面压力系数分布不再改变"的空化初生判定准则,并分析了其适用范围.同时,将空化斗由传统的三区细分为五区,以更准确地描述不同工况点的桨叶空化状态.结果表明,在设计和非设计进速系数下,预报桨叶叶背和叶面不同叶截面的初生空化数均与实验值吻合较好;模拟梢涡空化初生再现了局部梢涡空化和导边梢涡空化同时存在的现象,证明了分别用叶背0.7R截面和叶面0.4R截面的片空化初生曲线来表征叶背和叶面可视梢涡空化初生的合理性.空化初生判定准则适用于空化斗底线上方的叶背和叶面片空化区.将空化斗底线下方区域进一步细分为叶背0.3R至叶梢的片空化区以及叶背与叶面同时片空化区,以更好地在工程中应用空化斗来描述桨叶空化形态和求取空化航态的航速.

关键词：螺旋桨空化初生空化斗空化模型湍流模型

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潜艇涡量场和流噪声等效声中心的数值预报

华中科技大学学报（自然科学版） 2012年第5期40卷 64-70页

作者：杨琼方王永生张明敏海军工程大学船舶与动力学院湖北武汉430033 海军工程大学电子工程学院湖北武汉430033

为了实现潜艇湍流噪声及其等效声中心的数值预报,在分析SUBOFF潜艇拖曳和自航状态下涡量场的基础上,采用大涡模拟与声学边界元相结合的方法,在频域内预报了流噪声空间分布、测点谱源级曲线和声指向性,求取了等效声中心位置并分析了其受... 详细信息

为了实现潜艇湍流噪声及其等效声中心的数值预报,在分析SUBOFF潜艇拖曳和自航状态下涡量场的基础上,采用大涡模拟与声学边界元相结合的方法,在频域内预报了流噪声空间分布、测点谱源级曲线和声指向性,求取了等效声中心位置并分析了其受螺旋桨旋转作用的影响.计算结果表明:附体与艇体结合部马蹄涡和附体端面诱导项链形涡对是潜艇涡量场的主要特征,且马蹄涡系具有较高的强度和稳定性;附体尾涡脱落频率存在19.22Hz的线谱,且在尾涡测点谱曲线中得到明确体现;随着频率增加,流噪声蝶形指向性对应的辐射瓣状区间数随波数增加,且正横方向声压要强于首尾方向;流噪声等效声中心位于距艇艏0.46倍艇长处,在10Hz～1kHz内总声源级为95.09dB;艇艉桨对附体马蹄涡系影响较小,但促使等效声中心迅速移至艇艉.

关键词：潜艇流噪声涡量等效声中心大涡模拟边界元数值声学

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螺旋桨初生空化湍流的多相流数值模拟

上海交通大学学报 2012年第8期46卷 1254-1262页

作者：杨琼方王永生张志宏海军工程大学船舶与动力学院武汉430033 海军工程大学理学院武汉430033

同时采用修正剪切应力输运(SST)湍流模型和Baseline雷诺应力模型(RSM)求取了E779A螺旋桨在无空化状态和初生空化状态下的梢涡运动轨迹,分析了涡核最小压力系数、湍动能、轴向速度分量和涡核半径沿运动轨迹的变化,并从模拟得到的梢涡卷... 详细信息

同时采用修正剪切应力输运(SST)湍流模型和Baseline雷诺应力模型(RSM)求取了E779A螺旋桨在无空化状态和初生空化状态下的梢涡运动轨迹,分析了涡核最小压力系数、湍动能、轴向速度分量和涡核半径沿运动轨迹的变化,并从模拟得到的梢涡卷曲起始和梢涡涡束的角度阐述了梢涡形成机理.空化模型采用改进Sauer模型,考虑了非凝结性气核质量分数、体积分数和气泡初始半径以及湍流脉动的影响,并针对轻度、中度和重度空化面积进行了可信性校验.当空化数σ>初生空化数σi时,叶梢截面压力系数分布相对不再改变的判定准则来确定.涡核中心位于螺旋线垂向截面上最小压力点,涡核边界由湍流涡频率峰值决定.数值模拟结果表明,RSM模拟梢涡路径较修正SST湍流模型稍长、局部梢涡空化范围略大、叶梢最小压力系数和轴向速度分量要小,涡核湍动能分布更为合理.但两者模拟得到的涡核运动轨迹几乎重合,并且初生空化状态下的涡核运动轨迹、最小压力系数和轴向速度分布均与各自无空化状态下非常接近,表明了初生空化状态判定的正确性和改进数值模型对梢涡运动轨迹模拟的适用性.

关键词：螺旋桨梢涡空化初生空化模型湍流模型

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船用螺旋桨水动力、空化和低噪声集成设计

清华大学学报（自然科学版） 2024年第1期64卷 75-89页

作者：杨琼方黄修长李晔海军工程大学动力工程学院武汉430033 上海交通大学机械与动力工程学院上海200240 上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院上海200240

该文以开源软件OpenProp为基础,集成螺旋桨无空化噪声理论公式、空化噪声估算经验公式和新Burrill图谱,构建了船用桨水动力、空化和低噪声集成设计软件OpenProp+。OpenProp+的核心功能包括:完成桨叶几何设计并可信预报敞水性能曲线;判... 详细信息

该文以开源软件OpenProp为基础,集成螺旋桨无空化噪声理论公式、空化噪声估算经验公式和新Burrill图谱,构建了船用桨水动力、空化和低噪声集成设计软件OpenProp+。OpenProp+的核心功能包括:完成桨叶几何设计并可信预报敞水性能曲线;判断桨叶有无空化产生,量化并确定空化范围,输出无空化工况的声压谱源级与中纵剖面声指向性图,估算空化噪声谱源级。当设计桨叶时,先确定相对最优的叶片数、直径和转速等总体参数,再优选叶型参数,设计考虑具体包括确定弦长分布规律、应用大侧斜设计要素、适当增加0.70R~0.95R(R为桨叶半径)叶截面最大厚度。桨叶最佳侧斜角临界值位于侧斜度50.0%~70.0%,设计初值可取60.0%。OpenProp+一体化设计效果由低噪声5叶桨设计给予检验,反馈良好,可直接服务于船用桨工程设计。

关键词：螺旋桨设计水动力空化低噪声 OpenProp

CFD在“机电一体化”导管桨性能分析及优化设计中的应用

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机械工程学报 2010年第1期46卷 162-168页

作者：杨琼方王永生范露海军工程大学船舶与动力学院武汉430033 武汉理工大学交通学院武汉430063

将计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)应用于"机电一体化"导管桨水动力性能分析和优化设计的全过程。对某后置定子式导管推进器敞水性能进行计算,在大范围进速系数下计算推力系数和力矩系数均与试验值吻合良好,检验计算方... 详细信息

将计算流体力学(Computational fluid dynamics,CFD)应用于"机电一体化"导管桨水动力性能分析和优化设计的全过程。对某后置定子式导管推进器敞水性能进行计算,在大范围进速系数下计算推力系数和力矩系数均与试验值吻合良好,检验计算方法的有效性。对初始设计导管桨水动力性能采用同样的方法进行计算,包括从流体力学的角度计算确定导管的主要尺寸,并结合网格类型和网格密度的影响分析了计算结果的有效性,分析设计工况下未缠绕线圈的环对间隙流场特征和导管、桨以及整体水动力性能的影响,提出将环变短变厚及相应改变叶片型值的改进设计思路,以改善间隙流动,提高敞水效率。对再设计导管桨设计工况和非设计工况性能进行计算,将环表面压力分布和导管桨推进性能与初始桨进行了比较,并利用水动力试验值再次检验了计算结果。结果表明:两次利用试验值校验计算值均吻合良好,说明将CFD用于导管推进器初始设计和分析是有效的。间隙径向距离大,间隙内泄压和局部滞止流动区域范围也大;环轴向距离长,环两端的间隙内流动旋涡程度也大。环的存在对导管桨导管产生推力是有利的,但对叶片产生推力是不利的,使导管桨敞水效率降低。再设计导管桨桨的推力系数比初始设计导管桨高、力矩系数低,敞水效率要高,说明改进方向正确。

关键词：船舶导管推进器 “机电一体化”导管桨数值模拟性能分析优化设计

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螺旋桨空化崩溃性能图谱的多相流模拟

华中科技大学学报（自然科学版） 2012年第2期40卷 18-22页

作者：杨琼方王永生张志宏海军工程大学船舶与动力学院理学院湖北武汉430033

为了提高螺旋桨空化性能多相流模拟的精度,采用改进数值模型对NSRDC4381螺旋桨的片空化形态和空化崩溃性能图谱进行了模拟与校验.数值模型由混合密度中显示包含非凝结性气核(NCG)质量分数和体积分数的混合物多相流模型,考虑湍流脉动影... 详细信息

为了提高螺旋桨空化性能多相流模拟的精度,采用改进数值模型对NSRDC4381螺旋桨的片空化形态和空化崩溃性能图谱进行了模拟与校验.数值模型由混合密度中显示包含非凝结性气核(NCG)质量分数和体积分数的混合物多相流模型,考虑湍流脉动影响的相变临界压力、NCG质量分数取7.8×10-4、NCG体积分数取1.0×10-6、气泡平均初始半径取1.5μm的改进Sauer空化模型,以及剪切应力输运(SST)湍流模型组成.结果表明:预报空化崩溃性能图谱与实验值符合很好;非设计进速系数下模拟空化形态与采用Sauer空化模型的结果一致,较实验值略偏小;中度和重度空化下,推力和力矩系数的预报精度明显高于采用Kunz空化模型的结果,严重空化时精度提升约16%;即使在高负载且严重空化的非设计工况下,预报推力和力矩系数误差分别为4.95%和2.28%,也在工程可控范围内,证明了所采用数值模型的有效性.该模型可进一步用于螺旋桨空化初生的数值判定.

关键词：螺旋桨空化模型湍流模型多相流模拟空化崩溃性能

喷水推进泵通用特性曲线的计算流体动力学分析

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清华大学学报（自然科学版） 2010年第8期50卷 1311-1315页

作者：杨琼方王永生李翔海军工程大学船舶与动力学院武汉430033

通过联合数值模拟求得设计转速下泵扬程-流量和效率-流量曲线和泵相似定理,计算得到混流式喷水推进泵量纲为一的特性曲线。进一步由计算流体动力学(CFD)计算得到空化条件下泵扬程和效率随吸口比转速变化的修正函数曲线。叶片面涡空化由... 详细信息

通过联合数值模拟求得设计转速下泵扬程-流量和效率-流量曲线和泵相似定理,计算得到混流式喷水推进泵量纲为一的特性曲线。进一步由计算流体动力学(CFD)计算得到空化条件下泵扬程和效率随吸口比转速变化的修正函数曲线。叶片面涡空化由降低进口总压来实现,转速和流量输入参数由非空化条件下喷水推进系统CFD计算求得。在全航速范围内,该特性曲线还可作为比转速与该泵相近的混流式喷水推进泵通用的特性曲线模型。

关键词：喷水推进泵性能曲线计算流体动力学空化