柱壳和锥壳结构自由振动特征的数值计算与校验

为了评估柱壳和锥壳结构自由振动特征数值计算的精度,分析不同边界条件、环肋、纵肋以及流体载荷对自由振动特征的影响,计算并校验了典型壳体结构在空气中、浸没以及浸没并充满水情况下的自由振动特征。结果表明,空气中干模态分析在2 kHz内、单面及双面接触水情况下的流固耦合湿模态分析在500 Hz内的计算精度能够控制在10%以内。壳体流固耦合自由振动分析时可以采用实体单元离散也可以采用壳单元离散的方法,前者精度略高,能够有效保证求解收敛的频带范围更宽,但工作量更大。径长比大于0.2时,浸没于水中的自由振动分析可以转换为内部填充水时的自由振动分析,转换时应保证两者流固耦合湿表面积相等,如半浸水和半充满水,能够有效减小计算量;环肋和流体载荷对壳体自由振动特征的影响明显,环肋使柱壳同阶自振频率增加,流体载荷使柱壳同阶自振频率减小且影响幅度更大,两者均会使得柱壳模态振型呈现错序排列;流固耦合效应对无肋柱壳和环肋柱壳自振频率的影响效果相当;柱壳内外有水相对于单面接触水而言,同阶自振频率进一步减小,模态振型基本不变;流体载荷对环肋锥壳的自振频率和模态振型的影响幅度较对环肋柱壳小。      

轴流泵参数化设计及应力与模态特征分析

以船用轴流式喷水推进泵为对象,探索了轴流泵参数化设计、水动力性能、静强度和结构声学特征分析的数值途径。轴流泵叶轮采用升力法设计,导叶采用流线法设计,叶片三维造型在NUMECA参数化设计平台中完成。轴流泵水动力性能校核由粘性CFD计算完成,CFD计算同时提取得到叶片分布式水动力载荷。叶片静强度校核由ANSYS有限元计算叶片应力和应变特征完成,应力分析时同时考虑水动力载荷、重力载荷和离心力载荷。叶片结构声学特征分析由NASTRAN有限元计算叶片模态振型和振型频率完成。计算结果表明,轴流泵扬程和功率满足设计指标,效率达87.13%;叶轮叶片形变相对于叶顶间隙来说为极小量,可忽略不计,叶片存在局部应力集中现象,最大应力小于许用应力,满足静强度要求;叶片前四阶振型特征与分析经验一致,且振型频率远离轴频、叶频及其谐频特征频率,能够避免共振产生。     

侧斜与负载对螺旋桨无空化和空化水动力性能的影响

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NSRDC4381无侧斜桨和4383100％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。     

伴流场中对转桨空化初生的判定与辐射噪声预报和校验

采用空化多相流瞬态模拟和边界元数值声学计算相结合的混合方法,预报了全附体假尾后对转桨在初生空化状态下的线谱和宽带谱噪声,分析了初生空化状态下对转桨噪声谱级相对于无空化状态的增量,提出了同时从流场与声场角度判定对转桨空化初生的四个充分条件。预报值与空泡水筒噪声测量值进行了比较。多相流瞬态模拟包括非定常雷诺时均模拟、尺度适应模拟和分离涡模拟三种方法。计算结果表明,在大范围进速系数范围内预报对转桨敞水性能曲线与测量值吻合很好。尺度适应模拟(SAS)和分离涡模拟(DES)在捕捉对转桨空化脉动压力时精度相当,均能满足非定常负载噪声预报的精度要求;雷诺时均模拟(URAN S)仅对于低频负载噪声来说基本适用。空泡体积脉动诱导线谱噪声在800 Hz处的预报误差小于4 dB;在800 Hz^3 kHz频段内,预报得到1/3oct中心频率处谱级的平均误差小于1.5 dB,总声级预报误差小于2.4 dB。空化初生的充分条件为:空化面积与桨盘面面积的比值小于2%、积分力和叶梢截面压力系数分布较无空化状态基本不变且中高频段噪声谱级增加8~10 dB。较好地解决了伴流场中对转桨空化初生判定和初生空化状态下辐射噪声预报的两个技术难题,可直接服务于高速、低噪声鱼雷的设计研发。      

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

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。      

全附体潜艇粘性流场的RANS模拟及场量和涡量的校验分析

采用相同拓扑结构和相近网格质量的4套网格和5种湍流模型,对全附体Suboff潜艇粘性流场进行RANS模拟,分析了网格密度、节点空间分布规律和湍流模型对计算精度的影响,详细校验了其力积分量、速度场量和涡量特征。结果表明:网格密度最大的G4网格(140万)计算精度最高,总阻力较实验值误差为0.723%,其采用SST湍流模型时最优。计算得到的压力系数和剪切应力系数分布均与实验值吻合很好;桨盘面速度等值线分布计算精度与文献相当,轴向相对速度0.9以上的计算半径稍大于实验值,其余半径与实验吻合较好;桨盘面上0.25倍半径处速度分量沿周向分布计算精度较文献高,轴向分量与实验值吻合较好,径向分量峰值稍小于实验值,但峰值所处周向位置与实验值一致。成功捕捉到了附体端面绕流诱导对旋涡、附体叶根截面下游处项链形涡对、尾翼端面尾缘上方附着涡蹄、附体马蹄涡系、尾翼截面通道流体挤压作用诱导涡以及桨盘面涡量汇集的潜艇涡量场特征,且围壳端面绕流诱导对旋涡沿流动方向持续稳定,不影响桨盘面涡量场,均与文献中由大涡模拟模拟得到的定性结论一致。研究表明,在网格密度较大、节点分布合理、网格质量较高、湍流模型选取适当和壁面函数使用有效的条件下,RANS模拟潜艇粘性流场的场量和涡量特征同样具有很高的计算精度,能够在工程应用中有力支撑新型艇型设计与性能分析。     

单叶片桨噪声相移叠加法预报多叶片船舶螺旋桨非空化低频噪声

单个桨叶噪声预报螺旋桨非空化噪声可显著降低计算耗时,本文联合URANS和声类比方程对该方法进行验证,并对螺旋桨噪声的时域特征进行分析。首先计算均匀流中E779A螺旋桨的声辐射,揭示了桨叶上声压分布及测点声压信号的典型周期特征,采用单个叶片噪声相移叠加(简称"单叶片方法")预报螺旋桨噪声的结果,与对螺旋桨所有叶片积分的计算结果吻合良好,验证了均匀流中单叶片方法的可行性。将该方法应用于潜艇伴流场中无侧斜和大侧斜螺旋桨噪声辐射计算,预报结果与所有叶片积分的结果吻合较好,验证了非均匀流场中单叶片方法的可行性,说明单叶片相移叠加法预报螺旋桨普遍进流条件下的辐射噪声是可行的。研究结论也可为对转桨、泵喷等噪声预报提供参考。