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泵喷推进器在敞水与艇后的激励力计算分析

船海工程 2019年第4期48卷 96-101页

作者：于丰宁邹冬林饶柱石塔娜田佳彬上海交通大学振动、冲击、噪声研究所上海200240 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240 武汉第二船舶设计研究所武汉430205

分别建立某型号泵喷推进器与SUBOFF潜艇模型,基于雷诺平均数值方法及快速傅里叶变换方法,计算潜艇-泵喷推进器耦合模型压强分布并对比不同来流状态下叶片激励力,计算结果表明,相比敞水状态,艇后不均匀来流增强定子叶片与转子叶片干涉作... 详细信息

分别建立某型号泵喷推进器与SUBOFF潜艇模型,基于雷诺平均数值方法及快速傅里叶变换方法,计算潜艇-泵喷推进器耦合模型压强分布并对比不同来流状态下叶片激励力,计算结果表明,相比敞水状态,艇后不均匀来流增强定子叶片与转子叶片干涉作用,从而显著增加定子叶片和转子叶片激励力,说明在泵喷推进器设计时需要考虑定子叶片和转子叶片动静干涉对叶频激励力的影响,有必要将定子叶片与转子叶片作为整体进行匹配设计。

关键词：泵喷推进器不均匀流场计算流体力学激励力特性

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泵喷推进器抗空化性能分析

船舶工程 2021年第1期43卷 50-55页

作者：张明宇俞伟强石钰中国武警海警学院浙江宁波315800

为改善泵喷推进器抗空化性能以提高舰艇推进器空化初始航速,在验证所用方法可信性的基础上,运用三维反问题设计方法及计算流体力学方法对某排水型船进行泵喷推进器大样本优化设计。结果表明:泵喷推进器低压区的存在形式有3种,即大面积... 详细信息

为改善泵喷推进器抗空化性能以提高舰艇推进器空化初始航速,在验证所用方法可信性的基础上,运用三维反问题设计方法及计算流体力学方法对某排水型船进行泵喷推进器大样本优化设计。结果表明:泵喷推进器低压区的存在形式有3种,即大面积存在、局部存在、在叶片导边和导管进口外壁面呈线状分布;从尺寸选型、叶片负载分布、毂径比、入流角4个方面进行优化设计后,泵喷推进器抗空化性能明显提高。所总结的优化设计方法同样适用于泵喷推进器及导管桨等类似结构推进器的抗空化性能改善。

关键词：泵喷推进器三维反问题设计方法计算流体力学抗空化

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不同来流工况下泵喷推进器外流场特性分析

水动力学研究与进展（A辑） 2020年第4期35卷 411-419页

作者：徐顺季斌龙新平韩承灶张志远武汉大学动力与机械学院武汉430072 水射流与新技术湖北省重点实验室武汉430072 武汉大学水资源与水利工程国家重点实验室武汉430072 喷水推进技术国家重点实验室上海200011

作为一种新型的推进方式,泵喷推进器得到了越来越广泛的使用,其外流场会影响推进效率,因此对外流场的研究至关重要。该文以泵喷推进器模型为研究对象,基于SST湍流模型对其外流场进行数值模拟,结果表明:实验和数值模拟结果吻合得较好;当... 详细信息

作为一种新型的推进方式,泵喷推进器得到了越来越广泛的使用,其外流场会影响推进效率,因此对外流场的研究至关重要。该文以泵喷推进器模型为研究对象,基于SST湍流模型对其外流场进行数值模拟,结果表明:实验和数值模拟结果吻合得较好;当进速系数较低时,导管出口的高速射流会卷吸周围的流体一起运动,并且射流半径减少至一定程度时不会随着进速的增加而改变;随着进速系数的逐渐增大,在导管入口处会产生流动分离,并形成负压区;射流场中湍动能最大区域出现在叶片半径75%处,并且射流场中的湍动能随着进速系数增加而减小。该研究有助于了解泵喷推进器外流场特性,为今后泵喷推进器的相关优化设计工作提供指导。

关键词：泵喷推进器 SST湍流模型进速系数湍动能

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泵喷推进器的流激声振特性研究

武汉理工大学学报（交通科学与工程版） 2023年第3期47卷 460-464页

作者：曹奇宏张冠军武汉理工大学高性能船舶技术教育部重点实验室武汉430063 武汉理工大学船海与能源动力工程学院武汉430063

文中以某泵喷推进器为研究对象,基于计算流体力学(CFD)方法计算泵喷推进器非定常流场,提取泵喷推进器结构表面流体脉动压力,并结合扇声源理论和边界元法(BEM)计算泵喷推进器中旋转部件(转子)和静止部件(定子和导管)的流体直接辐射噪声.... 详细信息

文中以某泵喷推进器为研究对象,基于计算流体力学(CFD)方法计算泵喷推进器非定常流场,提取泵喷推进器结构表面流体脉动压力,并结合扇声源理论和边界元法(BEM)计算泵喷推进器中旋转部件(转子)和静止部件(定子和导管)的流体直接辐射噪声.利用有限元法(FEM)计算流激作用下引起的泵喷推进器结构辐射噪声,分析泵喷推进器辐射声场指向性及声压分布特性.结果表明:泵喷推进器旋转部件声压级指向性呈“∞”字形,静止部件声压级指向性呈“8”字形,旋转部件流噪声为主要贡献量;结构辐射噪声在泵喷尾端声压较高,结构辐射噪声小于流体直接辐射噪声;由于受动静干涉及导管间隙流动作用,泵喷推进器噪声最大位置分布在转子和定子之间,特征频率主要出现在叶频和倍叶频处,轴频处对应峰值相对较小.

关键词：泵喷推进器流体辐射噪声结构辐射噪声指向性声振特性

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泵喷推进器低频噪声有源控制方法研究

泵喷推进器低频噪声有源控制方法研究

作者：李正凯哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

目前,泵喷推进器作为一种新的低噪声推进方式,逐渐受到各个国家的关注。采用泵喷推进器后,水下航行器噪声有了明显降低,但是,仍然具有较为明显的由推进器产生的低频线谱噪声。因此,针对泵喷推进器开展低频噪声控制方法研究具有一定的实... 详细信息

目前,泵喷推进器作为一种新的低噪声推进方式,逐渐受到各个国家的关注。采用泵喷推进器后,水下航行器噪声有了明显降低,但是,仍然具有较为明显的由推进器产生的低频线谱噪声。因此,针对泵喷推进器开展低频噪声控制方法研究具有一定的实际意义。噪声主动控制方法是一种降低低频噪声的有效手段。在主动噪声控制系统中,次级声源以及误差传感器的布放方式对整个控制系统的降噪效果会产生很大的影响。因此,本文结合泵喷推进器结构,重点开展了次级声源与近场误差传感器的布放问题研究。考虑到螺旋桨噪声在远场可以近似为点声源或者偶极子声源,本文分别以点声源和偶极子声源模拟泵喷推进器噪声。首先开展了泵喷推进器导管结构的低频辐射声场特性分析。其次,针对点声源、振动面源两种次级声源形式,开展了次级声源与导管结构之间的耦合声场特性分析。然后,结合声场数值分析结果,本文建立了复杂声场条件下目标函数,并结合粒子群算法,开展了误差传感器的优化配置方法研究。之后,结合泵喷推进器结构,对不同数量的次级声源情况下,误差传感器的位置进行优化,并得到误差传感器位于最优位置时的降噪量。考虑到不同频率下误差传感器的最优位置不同,构建考虑多频点的适应度函数,并对考虑多频点的误差传感器位置进行优化。最后,在湖上进行了水下结构低频噪声主动控制方法原理性验证试验。试验结果表明,采用主动控制方法可以实现有界声腔中的声源低频辐射线谱噪声控制,而且通过优化次级声源和误差传感器的位置,可以有效提高主动控制系统的降噪量。

关键词：泵喷推进器低频线谱辐射噪声主动控制误差传感器

泵喷推进器水动力性能、空化及噪声性能的数值计算与优化设计研究

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泵喷推进器水动力性能、空化及噪声性能的数值计算与优化设计研究

作者：吴春晓大连海事大学

学位级别：硕士

泵喷推进器是一种用于水下航行的低噪声推进装置,由加速导管、减速导管、转子和定子组成。定子包括前置定子和后置定子。泵喷推进器的设计和性能评估十分复杂,因为其结构复杂,部件参数变化较多。在设计过程中,由于时间和成本的限制,很... 详细信息

泵喷推进器是一种用于水下航行的低噪声推进装置,由加速导管、减速导管、转子和定子组成。定子包括前置定子和后置定子。泵喷推进器的设计和性能评估十分复杂,因为其结构复杂,部件参数变化较多。在设计过程中,由于时间和成本的限制,很难快速找到最优解。本研究将几何造型技术的形状重构方法与数值仿真评估技术及最优化理论有效集成,建立了一种由优化目标驱动形状构型变换的新方法。基于全参数化建模的方式构建泵喷推进器的三维模型。为探究准确的泵喷推进器数值预报方法,分别进行泵喷推进器水动力性能、空化性能与噪声性能数值模拟计算。分析数值模拟结果,将影响泵喷推进器水动力性能、空化性能与噪声性能的全参数化泵喷推进器中的参数作为优化设计变量,分别以水动力性能、水动力性能与无空化噪声、水动力性能与空化噪声分别作为优化目标函数,构建泵喷推进器多目标优化系统。本研究旨在建立集成全参数构型、数值模拟计算,全局优化算法一体化的泵喷推进器多目标优化设计系统,为水下航行体搭载的推进器设计研究提供相关设计参考,同时为泵喷推进器设计以及数值模拟方面学术研究提供可靠的理论分析方法和技术思路。基于本研究所获得的创新性成果如下:(1)几何重构技术是构建泵喷推进器性能优化系统的关键技术,是链接优化算法与数值模拟技术的关键问题。本研究采用全参数化建模方法构建泵喷推进器的几何模型,该方法可以对复杂泵喷推进器几何外形进行光顺变形与几何重构,降低传统建模方法在重构上难度,同时提高变形样本空间。(2)泵喷推进器由于其特殊性,研究资料较少。本研究为探究准确的泵喷推进器数值预报方法,分别进行泵喷推进器水动力性能、空化性能与噪声性能数值模拟计算,达到对水动力性能、空化性能与噪声性能的准确数值预报,并分析其流场、声场特性,为分析泵喷推进器数值计算研究提供相关技术参考。(3)本研究将几何造型技术的形状重构方法与数值仿真评估技术及最优化理论有效集成,建立了一种由优化目标驱动形状构型变换的新方法。构建了泵喷推进器多目标优化系统,将影响水动力性能、空化性能和噪声的径向参数作为优化设计变量,以水动力性能与无空化噪声、水动力性能与空化噪声作为优化目标函数,旨在选择适合泵喷推进器并能最大程度提高性能的设计方法,分析并探究影响泵喷推进器水动力性能、空化性能与噪声性能的几何构型参数。为中小型航行体搭载的推进器设计研究提供相关设计参考。

关键词：泵喷推进器全参数化建模数值预报多目标优化优化设计系统

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泵喷推进器激振力特性数值分析

泵喷推进器激振力特性数值分析

作者：姜汉哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

泵喷推进器具有推进效率高,低噪声,不易空化的特点,可用在鱼雷、潜艇等水下航行器,并且这种推进器近年来得到研究工作者广泛关注。泵喷推进器在鱼雷尾部工作时,其周围伴流速度场时刻都在变化,流体在转子和定子叶片表面各点处压力的大小... 详细信息

泵喷推进器具有推进效率高,低噪声,不易空化的特点,可用在鱼雷、潜艇等水下航行器,并且这种推进器近年来得到研究工作者广泛关注。泵喷推进器在鱼雷尾部工作时,其周围伴流速度场时刻都在变化,流体在转子和定子叶片表面各点处压力的大小和方向均是变化的,这导致叶片表面承受周期性的变化力,使得推进器的振动和噪声增强,直接影响了鱼雷的结构安全以及隐蔽性,因此对于泵喷推进器激振力的预报研究是一项非常重要且难度较高的工作。随着计算机性能的提高,CFD(Computational Fluid Dynamics)方法受到普遍应用。本文采用FLUENT商用软件,对鱼雷尾部泵喷推进器激振力进行数值预报,主要研究结果如下:通过MRF(Multiple Reference Frame)方法对泵喷推进器的水动力性能进行计算,结果表明CFD方法能够较为准确地预报泵喷推进器的水动力性能,并能够清晰地显示流场的压力和速度分布情况,以及转子和定子叶面表面压力分布情况。通过滑移网格方法对泵喷推进器进行非定常计算,发现泵喷推进器的侧向力和侧向弯矩为非定常轴承力的主要影响因素。通过对不同转速下的泵喷推进器激振力进行了数值计算,获得转速对轴承力六个脉动分量脉动峰值大小的影响规律。最后分析了同一工况下泵喷推进器流场中不同监测点处的脉动压力分布以及不同转速对监测点脉动压力峰值的影响。对无泵雷体进行数值模拟,得到来流速度为45kn0kn时鱼雷的阻力变化。通过对泵喷推进器与鱼雷组合体的数值模拟,得出不同转速下泵喷推进器水动力参数的变化,以及泵喷推进器对鱼雷尾部流场的影响规律。对不同转速下雷体阻力与泵喷推进器推力进行计算,得出雷体的自航点工况下的泵喷推进器推力和转速等自航因子。最后计算鱼雷自航点工况下泵喷推进器的非定常轴承力和脉动压力的分布情况,获得不同水深下激振力的变化规律。

关键词：泵喷推进器鱼雷计算流体力学敞水性能激振力

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泵喷推进器叶顶间隙流动的动态特性研究

泵喷推进器叶顶间隙流动的动态特性研究

作者：陈阳江苏大学

学位级别：硕士

泵喷推进器是一种装备在水下航行体上的推进器,与大侧斜螺旋桨相比,泵喷具有可以大幅度减小潜艇推进器的辐射噪声、提升潜艇的低噪声航速的优点。然而,泵喷推进器的转子叶片和导管内壁面之间存在一个尺寸较小的叶顶间隙区域,在此叶顶间... 详细信息

泵喷推进器是一种装备在水下航行体上的推进器,与大侧斜螺旋桨相比,泵喷具有可以大幅度减小潜艇推进器的辐射噪声、提升潜艇的低噪声航速的优点。然而,泵喷推进器的转子叶片和导管内壁面之间存在一个尺寸较小的叶顶间隙区域,在此叶顶间隙区域内的流场容易形成叶顶泄漏涡(Tip Leakage Vortex,TLV)和叶顶分离涡(Tip Separation Vortex,TSV),极易诱导空化的发生,并产生辐射噪声,从而给泵喷推进器的推进效率和隐蔽性带来很大的隐患。因此,深入开展泵喷推进器叶顶间隙的动态流动特性研究对提高泵喷推进器设计水平、增强其声学特性具有十分重要的理论意义和工程实际价值。为了对叶顶间隙流动特性进行研究,本文首先基于SST k-ω湍流模型对NACA0009翼型内部流动进行定常数值模拟研究,分析了叶顶间隙区域的压力与速度分布规律,获得了TLV和TSV的形成机理;其次,针对空化前后叶顶间隙尺寸(Tip Clearance Size,TCS)分别为0.5mm、1mm、2mm、3mm的泵喷推进器进行定常和非定常计算,分析了泵喷TLV涡核的压力脉动变化,且采用三维散点图呈现出TLV形态变化,获得叶顶间隙尺寸对泵喷性能与TLV动态特性的影响规律。此外,还运用涡量输运方程、湍动能输运方程与熵产理论对叶顶间隙流场进行分析,获得了TLV形态变化原因、能量损失机理及空化对TLV的影响规律。本文的主要工作及结论如下:1.系统性地总结了国内外泵喷推进器与叶顶间隙不稳定流动的研究现状,提出本文主要研究内容,详细地阐述了计算流体力学方法及RANS方程与主要的湍流模型的推导过程,介绍了Rayleigh–Plesset方程与Zwart-Gerber-Belamri空化模型、涡量输运方程及熵产理论,这为本文的后续研究提供了理论基础。2.针对间隙尺寸TCS=10mm的NACA0009翼型进行定常计算,并与其试验结果对比,同时分析了叶顶间隙区域的压力与速度分布及TLV涡量输运与湍动能分布,获得了叶顶间隙涡TLV与叶顶分离涡TSV的形成机理,主要结论如下:(1)TSV与TLV的形成主要是因为流进叶顶间隙的流体受到剪切力的作用发生变形,然后在速度梯度与压力梯度的共同作用下形成顺时针旋转涡旋,且湍动能主要分布在TSV区域。(2)通过Q准则识别出的TLV涡核轨迹沿流动方向呈下降趋势,沿翼展方向,逐渐靠近水洞壁面。(3)TLV的扭曲方向主要是x正方向和y负方向,在翼型弦线附近TLV的强度会被TSV削弱。3.针对TCS分别为0.5mm、1mm、2mm、3mm的泵喷推进器基于SST k-ω和DES(Detached Eddy Simulation)湍流模型在设计与偏设计工况下分别进行定常与非定常计算,且在TLV涡核设置压力脉动监测点,同时运用涡量输运方程与熵产理论对TLV涡量输运及其对泵喷能量损失进行分析,主要结论如下:(1)针对E779A螺旋桨在不同进速系数下的推进性能进行定常计算,且结果与试验较符合,验证了所采用数值模拟方法的准确性,这为本章泵喷的内部流动所采用的数值模拟方法提供了可靠性依据。(2)TLV在Z=11mm与Z=7mm间为发展起始阶段,在Z=7mm与Z=-1mm间为发展完全阶段,在Z=-1mm与Z=-9mm间为衰弱阶段。(3)TCS=1mm泵喷在高进速系数下仍具有较高推进效率,由此可得该泵喷推进性能最佳的间隙尺寸为1mm。(4)叶顶间隙处压力脉动存在9个波峰和9个波谷,且主频为187.5Hz(9f),进速系数的增大会使TCS=0.5mm与TCS=1mm的TLV提前发展,同时TLV是造成能量损失的主要原因。(5)由脉动速度产生的熵产率占据总熵产率的比例较大,TCS=0.5mm与TCS=1mm的脉动速度熵产率比TCS=2mm与TCS=3mm的高约12.5%。(6)沿转子流道径向方向,叶顶间隙区域的熵产率占总熵产率的比例超过80%;沿轴向方向,该比例超过47%,由此可见TLV是能量损失的主要来源。4.在泵喷内部流动定常数值计算设置的基础上,加载Z-G-B(Zwart-Gerber-Belamri)空化模型研究空化对TLV动态特性及泵喷推进性能的影响,主要结论如下:(1)TCS分别为0.5mm、1mm、2mm、3mm的泵喷在同一空化数σ=2.32下推进效率分别降低25.6%、4.3%、20.5%、17.9%,因此TCS=1mm的泵喷抗空化性能最好,TCS=0.5mm的抗空化性能最差。(2)在同一空化数σ=2.73下,TCS=0.5mm与TCS=1mm下的空泡主要分布在叶片吸力面靠近进口边附近,且叶顶间隙区域存在大量空泡,而TCS=2mm与TCS=3mm的叶顶间隙区域空泡很少。(3)在σ=2.73时,TLV涡核监测点频率没有变化,但空化区域的监测点主频振幅大幅降低,由此

关键词：泵喷推进器数值模拟叶顶间隙涡空化压力脉动能量损失

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湍流入流下泵喷推进器力谱特性研究

中国舰船研究 2022年第1期17卷 1-10页

作者：师帅康黄修长饶志强华宏星上海交通大学振动、冲击、噪声研究所上海200240 上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室上海200240

[目的]旨在解决泵喷推进器在湍流入流作用下非定常力谱不明的问题。[方法]通过湍流生成栅格和频谱合成法相结合的方法,产生具有时间脉动和空间相干结构的湍流,然后将此种方法与模拟相结合,获得泵喷推进器非定常力的宽带谱。[结果]结果显... 详细信息

[目的]旨在解决泵喷推进器在湍流入流作用下非定常力谱不明的问题。[方法]通过湍流生成栅格和频谱合成法相结合的方法,产生具有时间脉动和空间相干结构的湍流,然后将此种方法与模拟相结合,获得泵喷推进器非定常力的宽带谱。[结果]结果显示,所采用的计算方法能够获得泵喷推进器导管、定子和转子合理的非定常力宽带谱;泵喷推进器非定常力宽带谱由叶频及倍频处"驼峰"、定子叶频及相邻定子数倍轴频处特征线谱组成,随着叠加叶片数量的增加,力谱中的"驼峰"变得更加明显,特征线谱峰值呈周期性变化,并在叶片数为转子数时达到最小;由于前置定子和导管的使用,泵喷推进器非定常力宽带谱的幅值比螺旋桨高,但"驼峰"没有螺旋桨明显。[结论]所做研究有助于明确由湍流引起的泵喷推进器非定常力特性,可为低噪声泵喷推进器设计提供参考。

关键词：泵喷推进器湍流大涡模拟宽带谱

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