螺旋桨流固耦合分解
复合材料螺旋桨流固耦合数值计算
华中科技大学硕士学位论文摘要作为常见的船舶推进装置,螺旋桨具有几何形状简单、安装使用方便、推进效率高等特点。
但随着船舶事业的飞速发展,船舶逐渐向大型化、高速化的特点发展,对船舶螺旋桨性能的要求越来越高。
现阶段的常规材料螺旋桨具有噪声大、不耐腐蚀、使用寿命较短等缺点,因此近年来螺旋桨材料发生了巨大的变化。
由于新型材料的物理性质发生了变化,螺旋桨的流固耦合问题引起了越来越多的关注。
本文主要对DTMB 4119螺旋桨流固耦合问题进行以下方面的研究工作:(1)针对DTMB4119螺旋桨在不同工作工况下,研究流体计算网格量对螺旋桨敞水性能的影响;采用标准k-e、RNG k-e、SST k-w湍流模型,研究分析湍流模型对螺旋桨敞水性能的影响,并与参考文献给出的试验结果进行对比分析,从结果来看采用RNG k-e湍流模型的计算结果与文献误差最小。
(2)采用三种材料属性不同的各向同性材料,对螺旋桨水动力性能与结构响应特性与材料属性之间的关系进行探究。
从仿真结果来看,材料属性对前两种材料螺旋桨影响较小,流体与固体之间的相互影响可以忽略不计;而对玻璃纤维材料螺旋桨的影响较大,纤维材料螺旋桨的敞水性能、流场特性以及桨叶的应力应变、变形都有明显的变化。
(3)计算考虑铺层方式的流固耦合特性。
结果表明,层铺方式对螺旋桨水动力性能影响较小,但对螺旋桨的应力应变影响较大。
关键词:流固耦合,复合材料螺旋桨,水动力性能,结构响应特性,铺层方式华中科技大学硕士学位论文AbstractPropeller, as a common propulsion device, has the characteristics of simple structure, convenient use and high efficiency. But with the rapid development of the shipbuilding industry, the ship develops towards the characteristics of large scale and high speed, which also requires more. At present, the conventional propeller has many disadvantages, such as large noise, no corrosion resistance, short service life and so on, so many new type propellers have emerged. And due to the change of material properties, the fluid - structure interaction of propellers has attracted more and more attention.In this paper, the following two aspects are carried out on the two ways fluid- structure interaction of propeller:(1) For the DTMB4119 propeller under different working conditions, using the standard k-e, RNG k-e and SST K-W turbulence model, the open water performance of the propeller is calculated by numerical simulation. The results are compared with the experimental results given in the reference literature. The results show that the error between the RNG k-e turbulence model and the literature are minimum.(2) Three isotropic materials of alloy steel, nickel aluminum bronze and glass fiber are used to investigate the relationship between the hydrodynamic performance of a propeller, the response characteristic of the structure and the properties of the material. From the simulation results, the material properties have little influence on the first two kinds of material propellers, and the interaction between the fluid and the solid can be ignored, but the effect on the propeller of glass fiber material is larger. The open water performance, the flow field characteristics and the stress strain and deformation of the blade have obvious changes.(3), Calculating and comparing the fluid solid coupling characteristics of Considering the effect of composite stacking mode on composite propeller. The results show that the stacking mode method has little effect on the hydrodynamic performance of propeller, but it has great influence on the stress and strain of propeller.Key words:FSI, composite propeller, open water performance, structure response stacking mode华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论1.1课题研究背景及意义 (1)1.2复合材料螺旋桨的应用与研究现状 (2)1.3论文主要研究内容 (7)2 数值计算基本理论2.1引言 (8)2.2计算流体力学基本原理 (8)2.3结构计算相关理论 (11)2.5本章小结 (15)3 螺旋桨水动力性能数值方法3.1引言 (16)3.2螺旋桨水动力计算 (16)3.3网格独立性验证 (21)3.4湍流模型的选取 (24)3.5螺旋桨敞水性能分析与验证 (26)3.6本章小结 (27)华中科技大学硕士学位论文4 螺旋桨流固耦合特性模拟与分析4.1引言 (28)4.2螺旋桨结构计算方法 (28)4.3螺旋桨流固耦合计算 (29)4.4本章小结 (38)5 复合材料螺旋桨流固耦合计算5.1引言 (39)5.2基于ACP复合材料分层有限元模型 (39)5.3复合材料螺旋桨流固耦合结果分析 (43)5.4本章小结 (45)6 结论与展望6.1结论 (46)6.2展望 (47)致谢 (48)参考文献 (50)华中科技大学硕士学位论文1 绪论1.1课题研究背景及意义进入新世纪后,随着全球经济的飞速发展,越来越频繁的贸易往来使得全球交通运输业发生了巨大变化。
复合材料螺旋桨双向流固耦合计算
复合材料螺旋桨双向流固耦合计算杨光;熊鹰;黄政【摘要】为研究复合材料对螺旋桨水动力性能和结构特性的影响,在Workbench 平台上,采用基于粘性流理论的计算流体力学方法与有限元软件实现流体载荷与结构变形的双向耦合传递.以DTMB4381为研究对象,首先考虑镍铝青铜(NAB)螺旋桨的微小变形,采用双向流固耦合方法计算不同进速系数下的水动力性能,并与敞水试验值进行对比,误差较小,验证了双向流固耦合方法的准确性.然后将复合材料考虑为各向同性,对玻璃纤维材料螺旋桨进行双向流固耦合求解,得到复合材料螺旋桨在不同进速系数下的水动力性能及结构特性,并将流体和结构计算结果与传统的金属螺旋桨比较分析,总结材料对螺旋桨性能的影响.双向流固耦合方法为今后各向异性复合材料螺旋桨的深入研究打下基础.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2015(037)010【总页数】5页(P16-20)【关键词】双向流固耦合;复合材料;螺旋桨;敞水性能【作者】杨光;熊鹰;黄政【作者单位】海军工程大学舰船工程系,湖北武汉430033;海军工程大学舰船工程系,湖北武汉430033;海军工程大学舰船工程系,湖北武汉430033【正文语种】中文【中图分类】U661.40 引言复合材料从问世以来就备受关注,最初被应用于航空航天领域,当今在船舶领域也得到了重视,并逐渐开始将复合材料应用于螺旋桨上。
因其较轻的比重、超强的耐腐蚀性、良好的非磁性能、独特的弯扭耦合特性和优异的阻尼性能,使得复合材料螺旋桨较传统金属材料螺旋桨在性能方面体现出诸多优势[1]。
传统的金属螺旋桨在进行水动力计算时,并不考虑变形,视为刚性体,但复合材料螺旋桨在水中运转时,会产生较大变形,这与金属材料螺旋桨有很大不同,因此对复合材料螺旋桨进行设计和性能预报时,要考虑流场作用下桨叶的变形和桨叶的变形对周围流场的相互影响。
Lin等[2-3]采用涡格法 (VLM)结合有限元方法对复合材料螺旋桨进行水弹性分析,但并未考虑流体与结构相互作用的影响;Young[4]采用边界元法结合有限元法对复合材料螺旋桨进行流固耦合计算;海军工程大学孙海涛[5-6]采用低阶面元法结合有限元法建立了考虑流体结构相互作用的迭代求解算法;张帅[7]采用弱耦合的方法对某系列螺旋桨进行流固耦合运算。
复合材料螺旋桨流固耦合分析方法的发展和研究现状
复合材料螺旋桨流固耦合分析方法的发展和研究现状张旭婷;洪毅;袁凤;矫维成;刘文博;王荣国【期刊名称】《玻璃钢/复合材料》【年(卷),期】2016(000)006【摘要】复合材料螺旋桨性能研究的重要方法之一是流固耦合分析方法,求解流固耦合方程能够获得复合材料螺旋桨的水动力性能与结构响应.通过对国内外复合材料螺旋桨流固耦合分析方法的总结和归纳,分别介绍了主流的流固耦合分析方法——VLM/FEM流固耦合方法、BEM/FEM流固耦合方法和CFD/FEM流固耦合方法,同时对其研究内容和发展现状进行了简单阐述,展望了未来复合材料螺旋桨流固耦合分析方法研究趋势,为进一步研究复合材料螺旋桨流固耦合方法提供了参考.【总页数】4页(P84-87)【作者】张旭婷;洪毅;袁凤;矫维成;刘文博;王荣国【作者单位】哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨 150080;哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨 150080;哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨 150080;哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨 150080;哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨 150080;哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨 150080【正文语种】中文【中图分类】TB332【相关文献】1.复合材料螺旋桨流固耦合分析方法研究 [J], 曾志波;姚志崇;王玮波;刘润闻;韩用波;洪方文2.复合材料螺旋桨双向流固耦合计算 [J], 杨光;熊鹰;黄政3.考虑铺层的复合材料螺旋桨流固耦合计算及验证 [J], 陈悦;朱锡;周振龙4.基于ANSYS ACP的复合材料螺旋桨流固耦合计算方法 [J], 黄政;熊鹰;杨光5.复合材料螺旋桨流固耦合振动噪声研究综述 [J], 黄政; 熊鹰; 鲁利因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
基于流固耦合的船舶轴-桨耦合振动特性分析
基于流固耦合的船舶轴-桨耦合振动特性分析李小军1,朱汉华1,熊 维2,吴继东2(1. 武汉理工大学 能源与动力工程学院,湖北 武汉 430063;2. 武昌船舶重工集团有限公司,湖北 武汉 430060)摘要: 以研究螺旋桨水动力和离心力对船舶轴-桨组合振动特性的影响为本文的研究目的,基于W o r k-bench平台,采用流固耦合有限元分析方法,进行船舶轴-桨组合模态分析。
在CFX中计算螺旋桨敞水性能,并在Ansys中将螺旋桨叶面水压力和离心力作为预应力分析轴桨组合振动的固有频率和振型,比较轴系、螺旋桨单独模型和轴-桨组合模型在固有频率上的区别。
计算结果表明,轴桨组合的固有频率远远低于轴系和螺旋桨独立模型的固有频率;轴-桨旋转产生的离心力对其固有频率影响不大;螺旋桨在流场中产生的水压力略微提高纵向振动固有频率,但影响很小,在实际应用中可以忽略。
关键词:流固耦合;螺旋桨;轴系;Ansys;模态分析中图分类号:U664.21 文献标识码:A文章编号: 1672 – 7649(2017)07 – 0019 – 05 doi:10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.07.004Coupled vibration characteristic analysis of shaft-propeller system of ship basedon fluid structure interactionLI Xiao-jun1, ZHU Han-hua1, XIONG Wei2, WU Ji-dong2(1. School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China;2. Wuchang Shipbuilding Industry Group Company Limited, Wuhan 430060, China)Abstract: In order to explore the effect of propeller hydrodynamics and centrifugal force on coupled vibration charac-teristic of shaft-propeller system, taking Workbench as a tool, modal analysis of shaft-propeller system of ship was com-pleted with the fluid-structure interaction method. The open water performance of propeller was calculated in CFX, the natur-al frequency and mode shape of shaft-propeller system were analyzed in Ansys taking propeller water pressure and centrifu-gal force as pre-stress, and the difference of natural frequency of the single model of the shaft, the single model of the pro-peller and the combination model of shaft-propeller was analyzed. The results show that, the natural frequency of the shaft-propeller system is much lower than the natural frequency of the single model of the shaft and the single model of the pro-peller; the centrifugal force generated by the rotation of the shaft-propeller system has little effect on the natural frequency; the pre-stress produced by the propeller in the flow field increases the natural frequency of the longitudinal vibration slightly, but the influence is small, which can be ignored in the practical application.Key words: fluid-structure interaction (FSI);propeller;shaft;Ansys;modal analysis0 引 言船舶螺旋桨和轴系在实际工作时,流场中不均匀载荷会影响桨叶表面压力分布和桨叶振动特性;同时流场中的载荷会通过螺旋桨叶面传递给轴系,引起轴系应力、应变以及振动特性的变化,因此研究轴-桨组合的流固耦合振动特性对探索船舶尾部振动和噪声的产生原因非常有意义。
复合材料螺旋桨流固耦合分析方法研究
复合材料螺旋桨流固耦合分析方法研究曾志波;姚志崇;王玮波;刘润闻;韩用波;洪方文【摘要】An investigation on the analysis method of FSI for composite propellers based on Panel Method (PM) and Finite Element Method (FEM) was carried out, in which finite element model of composite propeller and the transfer of load and deformation between PM and FEM were especially focused on. A FSI analysis technique was integrated, the convergence was tested. Composite propeller 5474 was analyzed by the technique and the results agree well with the literature, and the technique can become a necessary tool to explore performances of composite propelles%文章基于面元法和有限元法,开展了复合材料螺旋桨流固耦合数值方法研究,着重探讨了复合材料桨叶有限元建模以及水动力外载荷与结构变形位移的流同耦合交界面数据传递问题,最终集成为一项复合材料螺旋桨流固耦合分析技术,测试了其收敛性.该技术针对5474复合材料螺旋桨的分析结果与文献结果吻合良好,为复合材料螺旋桨性能分析提供了必要的工具.【期刊名称】《船舶力学》【年(卷),期】2012(016)005【总页数】7页(P477-483)【关键词】复合材料螺旋桨;流固耦合;外载荷;变形【作者】曾志波;姚志崇;王玮波;刘润闻;韩用波;洪方文【作者单位】中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082;中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082【正文语种】中文【中图分类】U661.311 引言先进复合材料于20世纪60年代问世。
弹性螺旋桨-轴双向流固耦合计算
DOI:10.19423/ki.31-1561/u.2022.03.058弹性螺旋桨-轴双向流固耦合计算李小军1 沈 杰1 刘寒秋2(1. 中国船舶及海洋工程设计研究院 上海 200011; 2. 浙江大学 海洋学院 舟山 316000)[摘 要]为研究船舶螺旋桨的弹性效应对水动力性能和结构特性的影响,建立螺旋桨和轴系的三维模型,以镍铝青铜合金和玻璃纤维2种材质作为“刚性桨”和“弹性桨”的代表,在均匀流场中将2种材料的螺旋桨进行双向流固耦合计算,对比分析了其脉动压力、桨叶压力分布、推进性能等水动力性能,以及桨叶变形和最大等效应力等结构性能。
结果表明:桨叶的弹性效应增大流场脉动压力,使桨叶压力分布更加均匀,降低推力和扭矩,但不同进速下的推进效率变化不一;同时,桨叶弹性效应增大桨叶的形变,降低其最大等效应力,可为大型船舶尤其是采用长轴系、大侧斜桨的舰船以及水下航行器的螺旋桨性能计算和船尾部减振降噪设计提供借鉴。
[关键词]弹性桨-轴;双向流固耦合;水动力性能;脉动压力[中图分类号]U661.33+6 [文献标志码]A [文章编号]1001-9855(2022)03-0058-09Two-Way Fluid Structure Interaction Calculation of Elastic Propeller-ShaftLI Xiaojun1 SHEN Jie1 LIU Hanqiu2(1. Marine Design & Research Institute of China, Shanghai 2000011, China;2. Ocean College, Zhejiang University, Zhoushan 316000, China)Abstract: A three-dimensional model of propeller and shafting has been established to study the influence of the elastic effect of the marine propeller on the hydrodynamic performance and structural characteristics. Taking two materials of nickel aluminum bronze alloy and glass fiber as the representatives of “rigid propeller” and “elastic propeller”, respectively, the two-way fluid structure interaction (FSI) of the propellers of these two materials is calculated in a uniform flow field. The hydrodynamics characteristics such as the fluctuation pressure, blade pressure distribution and propulsion performance, and the structural characteristics such as the blade deformation and maximum equivalent stress are compared and analyzed. The results show that the elastic effect of the blade increases the fluctuation pressure in the flow field, resulting in more uniform pressure distribution of the blade and reduction of the thrust and torque, but the propulsion efficiency varies at different advance speeds. At the same time, the elastic effect of the blade increases the blade deformation and reduces the maximum equivalent stress. This study can provide references for the propeller performance calculation and the vibration and noise reduction design of the stern for larger ships, especially for ships with long shafting and large skew propellers and underwater vehicles.Keywords:elastic propeller-shaft; two-way fluid structure interaction; hydrodynamic performance; fluctuation pressure收稿日期:2021-12-01;修回日期:2021-12-22作者简介:李小军(1994-),男,硕士,助理工程师。
非均匀伴流中复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合研究
非均匀伴流中复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合研究
张晶;张晨星;王惠;梁欣欣;吴钦
【期刊名称】《船舶力学》
【年(卷),期】2024(28)3
【摘要】复合材料可改善螺旋桨空化性能及振动特性,在先进海洋推进装备领域备受关注。
本文基于URANS计算复合材料螺旋桨外流场,应用FEM求解桨叶结构动态响应,并将水动力载荷及结构变形实时双向传递,建立复合材料螺旋桨非定常空化流固耦合数值计算方法。
精细地模拟了桨叶经过高伴流区过程中叶梢空泡的演化;叶梢最大变形量随着叶梢空泡的初生、发展而逐渐增大,在梢涡空泡形成阶段达到最大值,然后随着空泡的溃灭而减小;揭示了复合材料的应用使螺旋桨推进效率得以提高、叶梢空化得以抑制的机理,即复合材料螺旋桨在空化水动力载荷作用下产生弯扭耦合变形,自适应地调整攻角以抑制空泡发展;对比了典型空化工况下复合材料与刚性金属螺旋桨空化水动力性能的区别;与刚性金属桨相比,复合材料螺旋桨的压力脉动峰值缓和,对非均匀伴流场的适应性更好。
【总页数】13页(P341-353)
【作者】张晶;张晨星;王惠;梁欣欣;吴钦
【作者单位】北京宇航系统工程研究所;北京理工大学机械与车辆学院
【正文语种】中文
【中图分类】U664.33
【相关文献】
1.不均匀进流场下螺旋桨非定常力的数值模拟
2.舰船螺旋桨非定常粘性流场与空化数值预报
3.螺旋桨在均匀流场中的非定常水动力数值模拟
4.船体黏性非均匀伴流场中螺旋桨非定常水动力性能预报研究
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螺旋桨和水翼流固耦合机理与计算方法研究
螺旋桨和水翼作为航行器的重要部件,在航行过程中扮演着至关重要的角色。
螺旋桨是转动推进器,主要负责船舶或飞机的推进作用,而水翼则是支撑器,能够提供额外的升力和稳定性。
由于二者在航行过程中需要与水或气流进行耦合运动,因此对于其流固耦合机理和计算方法的研究显得尤为重要。
1. 螺旋桨和水翼的流固耦合机理螺旋桨和水翼的流固耦合机理主要涉及了流体力学和结构力学两个层面。
在流体力学方面,螺旋桨和水翼在水或空气中运动时,会受到流体的阻力和压力,同时也会对流体产生影响,这种相互作用就构成了流固耦合。
在结构力学方面,螺旋桨和水翼的形状、材料等因素将直接影响其在流体中的运动特性,因此需要考虑结构与流体的相互作用。
2. 流固耦合的数学建模为了深入研究螺旋桨和水翼的流固耦合机理,需要建立相应的数学模型。
在这个过程中,需要考虑流体的运动方程和结构的力学方程,同时还要充分考虑二者之间的相互作用。
对于螺旋桨来说,需要考虑其在水或空气中的推进功率和受到的阻力等因素;对于水翼来说,需要考虑其在水或空气中产生的升力和阻力等因素。
通过建立数学模型,可以对螺旋桨和水翼的运动规律进行准确地描述和预测。
3. 流固耦合的计算方法针对螺旋桨和水翼的流固耦合问题,需要开发相应的计算方法。
在过去的研究中,人们已经提出了各种各样的计算方法,其中既包括基于数值模拟的计算方法,也包括基于试验的计算方法。
数值模拟方法可以通过计算流体和结构的相互作用来预测螺旋桨和水翼的运动轨迹和性能,而基于试验的计算方法则可以通过实际的船舶或飞机模型进行测试和验证。
4. 研究现状与发展趋势目前,螺旋桨和水翼的流固耦合机理和计算方法研究已经取得了一些进展,但仍然存在诸多挑战。
流固耦合问题本身具有复杂的非线性和多物理场耦合特性,因此需要开发更加精确和高效的数值模拟方法。
另对于螺旋桨和水翼的结构设计和优化也需要更加深入的研究,以提高其性能和效率。
未来,随着计算机技术和数值模拟方法的不断发展,相信对于螺旋桨和水翼的流固耦合机理和计算方法研究将会取得更加显著的成果。
船舶螺旋桨流固耦合稳态求解算法
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Co p t to l o ih ffu d-t uc u e i t r c i n o m u a i n a g r t m o i s r t r n e a to f l m a i e p o e l r n s e d t t rn r p le s i t a y sa e
Ab ta t T x lr h n u n e o h eo ma in o o o i ld s o h y r d n mi e oma c f a sr c : o e p o e t e i f e c ft e d fr t f c mp st b a e n t e h d o y a c p r r n e o l o e f p o el r h r p l r p n t r e o ma c a ac lt d b s d o NS e u t n,a d t e r s l f h e r p l ,t e p o el  ̄o e wae r r n e w sc l u ae a e n a RA q ai e e pf o n h e u t o r e s t
基于流固耦合的螺旋桨水动力性能数值仿真
基于流固耦合的螺旋桨水动力性能数值仿真
黄胜;白雪夫;孙祥杰;陈广杰
【期刊名称】《船舶》
【年(卷),期】2015(000)001
【摘要】根据螺旋桨理论,将基于粘流理论的计算流体动力学方法与结构有限元分析方法相结合,构建螺旋桨的流固耦合数值仿真方法。
运用该方法对螺旋桨进行计算分析,并与试验结果进行对比,两者吻合较好。
证明了利用构建的FSI方法与传统的CFD方法计算同一金属材料螺旋桨时,在低进速下计算所得结果较传统CFD方法更为准确。
从多角度阐明所建立的流固耦合数值方法在复合材料螺旋桨研究方面的独特优势,为复合材料螺旋桨性能分析提供了必要的工具。
【总页数】6页(P25-30)
【作者】黄胜;白雪夫;孙祥杰;陈广杰
【作者单位】哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001;哈尔滨工程大学船舶工程学院哈尔滨150001
【正文语种】中文
【中图分类】U661.1
【相关文献】
1.基于CFD流固耦合理论的海上浮式结构物水动力性能分析 [J], 马哲;程勇;翟钢军
2.螺旋桨水动力性能及流固耦合数值模拟 [J], 黄璐;陈立;邱辽原;解学参
3.基于STAR-CCM+的螺旋桨水动力性能分析 [J], 姜彭; 张超; 张宇
4.基于流固耦合的轮缘推进器水动力性能和强度校核分析 [J], 罗晓园;刘亮清;谭琨
5.基于CFD方法的螺旋桨水动力性能研究 [J], 黄技;梁光琪;宋子洋;陈沛楷;郭振淇因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
船用螺旋桨流固耦合振动特性分析
第59卷第2期2019年3月大连理工大学学报J o u r n a l o fD a l i a nU n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g yV o l .59,N o .2M a r .2019文章编号:1000-8608(2019)02-0154-08船用螺旋桨流固耦合振动特性分析娄本强, 嵇春艳*(江苏科技大学船舶与海洋工程学院,江苏镇江 212003)摘要:在船舶航行中,应避免激振力的频率与螺旋桨叶片固有频率接近而产生的共振,达到避振效果.分别使用直接耦合数值计算和瞬态激励实验方法,研究了某实桨叶片在空气中和浸入静水域中的固有流固耦合(F S I )振动特性.结果表明:数值计算与实验结果吻合较好;直接耦合法具有精度高和收敛性好的优点.根据工程实际要求,提出了螺旋桨叶片首阶振动频率的经验公式,估算精度满足要求,具有节省时间㊁提高效率的优点.关键词:螺旋桨振动;流固耦合(F S I);瞬态激励实验;直接耦合数值计算;经验公式法中图分类号:U 661.42;U 661.44文献标识码:A d o i :10.7511/d l l gx b 201902007收稿日期:2018-07-23; 修回日期:2018-12-03.基金项目:江苏高校优势学科建设工程资助项目(P A P D ).作者简介:娄本强(1982-),男,博士,讲师,E -m a i l :b e n q i a n g.l o u@h o t m a i l .c o m ;嵇春艳*(1976-),女,博士,教授,E -m a i l :j i c h u n y a n jk d @163.c o m.0 引 言流固耦合(f l u i d -s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ,F S I)是自然界普遍客观存在的一种复杂现象[1]:周围流体对结构的响应如位移㊁速度㊁应力和频率等产生干扰的同时,结构也使得流场产生了不可忽略的影响,共生共存,相互耦合.流固耦合问题是场间关系问题,是流场与结构变形场的相互作用,需要使用耦合方程组定义流场与结构变形场,利用未知变量描述流场变化和结构响应.流固耦合问题的研究方法主要有3种:实验方法㊁解析方法和数值求解方法.实验中,尺度化模型导致结果过刚,因此模型实验获得结构的响应特征有先天缺陷,需要进行分析处理;使用解析方法的局限性在于模型简化与数学推导之间有不可调和的矛盾;数值求解方法可以结合实践经验与实验结果,借助于理论近似和统计手段,使用计算机技术,得到更能说明物理现象的结果.科研工作者们将着眼点放在耦合系统对外加动力荷载响应的工程实例,如船水响应[2-3]㊁近海结构对波或地震的响应㊁潜艇噪声振动分析㊁含液容器的流固耦合振动[4-5]等.船用螺旋桨作为全船唯一的推进系统,随着航运大型化㊁多样化的要求,其设计向着重载化㊁高速化㊁轻型化的方向发展,工作时长有所提高,所处工况更加恶劣.船用螺旋桨桨叶是一种厚壳结构,叶片故障占机械故障的比重较大,在运行过程中承受离心力㊁流体动力,振动㊁温差和介质等各种激振力的综合作用[6].当激振力的频率与船用螺旋桨的固有频率接近时,便会产生共振,共振会(1)降低推进效率;(2)产生疲劳损伤,减少螺旋桨使用寿命;(3)发生断桨,造成搁浅等灾难性的海事事故.因此,需要采取必要的手段预防和避免共振现象.船用螺旋桨流固耦合振动分析属于边缘学科但又涉及诸多学科分支,是集结构动力学㊁流体力学㊁空气动力学㊁数值计算方法等为一体的综合性疑难课题.关于螺旋桨流固耦合振动的研究有限,自索志强开始,开辟本课题在国内研究的先河[7-9],填补国内空白;沈惠明等[10]分析了流固耦合振动的特征值解法;郑治国等[11]㊁熊家敏等[12]使用数值方法对螺旋桨流固耦合振动进行计算,得到了与实验结果拟合很好的计算结果;随着流固耦合数值计算的成熟,娄本强[13]首先使用A N S Y S模拟某实桨模型和周围流场,计算干模态㊁湿模态以及特定物面条件下的模态,并与实验结果对比,吻合程度很高.吴思远[14]采用C F D (F L U E N T)-F E M(A N S Y S)-B E M(V L A)相结合的方法研究螺旋桨D T M B4119振动辐射噪声.任弘[15]在WO R K B E NC H平台中以某散货船螺旋桨为研究对象,对其分别在空气中和水中进行模态分析,并补充性地研究了水动力荷载及离心力作用对流固耦合振动的影响.李小军等[16]基于流固耦合动力学方程,在WO R K B E N C H平台中计入水介质㊁附水质量,以及水介质阻尼的影响,研究了轴桨组合结构的振动模态.结构在水中固有频率与许多因素有关,需要对流固耦合衰减进行分析.本文以某内河双桨渔船的实桨结构为研究对象,根据实际螺旋桨尺寸,建立相应的有限元模型和桨外无限大流场物理模型,考虑叶片结构的弹性变形与周围流体的相互作用.对螺旋桨桨叶在空气中和水中进行瞬态激励模态实验,对测量得到的振型进行识别,得到相应振型下的固有频率.1基础理论1.1流固耦合计算方程建立在空气中,螺旋桨的模态分析(干模态)是假设结构场在弹性范围内,采用H a m i l t o n原理,导出结构动力方程的过程式:M q..(t)+C q.(t)+K q(t)=R(t)(1)式中:M为质量,C为阻尼(可忽略),K为刚度,激振力R(t)和位移q(t)(未知量)均为时间函数.简谐激励作用下结构振动对外部流体产生辐射,将周围流场介质假设为可压缩㊁无黏性㊁小扰动的流体,那么流体控制方程可简化为声波方程;使用辐射声压p(t)作为流场中的未知量,根据B e r n o u l l i微分方程可得Ñ2p(t)=1c2∂2p(t)∂t2(2)式中:c2为流体中声速的平方值;p(t)为流体声学压力,是时间函数.对耦合系统模态分析通常有两种求解方法:迭代耦合(弱耦合)和直接耦合(强耦合).迭代耦合法:分别在流场和结构场中求解,对计算结果数据进行交换,然后在各个时间步之间耦合迭代,收敛后再向前推进.本文采用的是直接耦合法:将流场和螺旋桨结构耦合构造在同一控制方程下,在单一时间步内,对所有求解变量同时求解,虽然对计算资源要求高,但具有省时,精度和收敛性好,求解容易,适应性高等优点.对于结构及流体组成的耦合系统,在流固耦合边界上需要满足:结构及流体的速度和应力连续,法向速度和面力连续.综上所述,螺旋桨结构采用位移q(t)来描述,周围流体介质采用压力p(t)来描述,然后利用G a l e r k i n加权余量方法,忽略阻尼影响,得到螺旋桨流固耦合振动有限元计算方程:M s0-ρQ T M fæèçöø÷q..(t)p..(t)æèçöø÷+K s Q0K fæèçöø÷q(t)p(t)æèçöø÷=R(t)æèçöø÷(3)式中:Q为耦合阵,M s和M f分别为结构和流体的质量阵,K s和K f分别为结构和流体的刚度阵.求解上述耦合动力方程即可得到螺旋桨在周围流体影响下的动力特性,即湿模态.上述计算是基于螺旋桨静止假设情况下的分析,而当螺旋桨处于工作状态下,由于受到离心力等荷载作用,叶片会具有一个初始应力场,从而出现应力刚化现象,使得叶片的固有频率也相应增加.任弘[15]考虑在J=0.4工况下,应力刚化现象对模态的影响,发现当螺旋桨叶片在水中旋转时,哥氏惯性力㊁离心力和预应力等对湿模态固有频率的影响小于1.0%,因此在本文中,不考虑螺旋桨工作状态下的应力刚化现象.1.2水下振型分析在许多工程结构中都可以见到与船用螺旋桨相类似的结构形式,如风力发电机的风轮叶片㊁核电汽轮机叶片㊁飞机的机翼㊁航空发动机的压气机叶片㊁涡轮发动机的叶片等.翼状叶片结构虽然有很多研究成果,但与研究船用螺旋桨结构相比,还有很大不同:飞行器一般来流是均匀的,而船用推进器由于船体的影响,来流是非均匀的;介质密度不同,同样的转速条件下,船用推进器承受的阻力更大;当船速较大时,会引发推进器空泡等现象.而且螺旋桨与其他叶片形状有很大的不同,船用螺旋桨几何形状十分复杂,具有大侧斜桨㊁三维空间扭曲㊁厚度变化较大等特点.桨叶切面满足机551第2期娄本强等:船用螺旋桨流固耦合振动特性分析翼理论,螺旋桨设计时主要考虑其推进效率㊁水动力性能和避免空泡.当驱动叶片转动,桨叶承受的推力也不是均匀分布的,而是与叶片长度成比例分布.由于桨叶切面满足机翼理论,桨叶根部的厚度较大,最大厚度线方向在桨中颈向,厚度从桨中和桨根处向桨梢辐射减小,桨梢最薄.结合之前的研究结果,本文认为对于船用螺旋桨结构主要应对如下4种基础振动模态进行流固耦合分析:基础振型(f o u n d a m e n t a lm o d e),一阶挥舞;一阶扭转振型(o n e-n o d e t o r s i o n a lm o d e);二阶挥舞振型(o n e-n o d e f l e x u r a lm o d e);三阶挥舞或二阶扭转振型(t w o-n o d e f l e x u r a l o r t o r s i o n a lm o d e).如图1所示.(a)一阶挥舞(b)一阶扭转(c)二阶挥舞(d)三阶挥舞或二阶扭转图1螺旋桨振型示意图F i g.1 D i a g r a mo f p r o p e l l e r v i b r a t i o nm o d e s螺旋桨前5阶振型中,振动类型基本以颤振和扭转为主,没有摆振的振型,由此可见,螺旋桨叶片的结构振动特性之一是具有较强的抗摆能力,最先被激起的基础频率一定是一阶挥舞振型.1.3流固耦合边界条件本文假设螺旋桨所在的流场为半无限大流场,分别将螺旋桨周围被包络的区域按照无穷远边界处理(无限流场);垂直于桨叶上方的边界设定为自由表面边界条件.在流固耦合交界面上,既要保证运动学条件(法向速度保持连续),又要满足力连续条件(法向力保持连续).(1)无穷远条件(又称S o m m e r f e l d辐射条件)l i m rңɕ(∂p(t)∂r+1c p.(t))=0(4)数值计算中将10倍于螺旋桨直径的流体边界设定为无穷远条件.(2)自由表面边界条件p(t)=0(5)2流固耦合有限元计算对螺旋桨结构进行流固耦合数值分析,属于实际工程分析与应用问题,此类复杂有限元模型计算需要足够多的有限元单元和自由度数目,才能得到精确结果.由于桨叶的厚度变化较大,本文使用三维模型,以满足高次特征值与高精度的结果要求.在流体介质水中使用声体单元模型.本文选用成熟的有限元计算程序A N S Y S,对其中的单元进行组合,对流固耦合模态进行求解.2.1螺旋桨有限元模型建立本文采用的螺旋桨是国内制造的某100m内河双桨渔船的实桨,主要参数为直径D=462.50m m,轴外径d1=102.25m m,轴内径d2=30.00m m,实桨材料为铝青铜,密度为7.8ˑ103k g/m3,材料弹性模量为120G P a,泊松比为0.34.给定的螺旋桨是四叶桨,根据上述原理和公式,采用A N S Y S程序对螺旋桨结构进行模态分析,逆向建立的叶片计算模型几乎完全逼近真实叶片形状.螺旋桨桨叶有限元模型和实物模型比较如图2所示.2.2在空气中模态数值计算本文首先对螺旋桨在空气中的振动模态进行分析,采用四叶桨进行结构有限元振动分析.然后使用同样的块体单元建立单片桨叶有限元模型.假设将模型放置在空气中,对螺旋桨进行模态分析.空气介质在本文中使用F L U I D声体单元进行划分,空气的密度设为1.29k g/m3,空气中的651大连理工大学学报第59卷(a)有限元模型1(b)实物模型1(c)有限元模型2(d)实物模型2图2螺旋桨桨叶有限元模型和实物模型F i g.2 P r o p e l l e r b l a d e f i n i t e e l e m e n tm o d e l a n dp h y s i c a lm o d e l声速为313.3m/s.用于比较空气中流固耦合有限元计算与结构有限元方法计算的差别.将流场和螺旋桨结构耦合构造在同一控制方程下,在单一时间步内,对所有变量进行求解.位移自由度在流固边界上有效,除落在界面上的随结构移动的节点外,其他都是固定在空间中的.界面上的一层流体单元被定义为耦合单元,选中落在界面上的节点定义为F S I荷载的作用点,与流体单元共享,实现直接耦合关系.采用A N S Y S求解器中提供的P C G兰索斯(L a n c z o s)方法,计算固有频率,计算结果见表1.表1空气中固有频率计算结果T a b.1 C a l c u l a t i o n r e s u l t s o f n a t u r a l f r e q u e n c y i na i r振型固有频率/H z四叶桨真空中单叶桨空气中偏差/%一阶挥舞234.87232.67-1.62一阶挥舞扭转耦合682.61686.12-0.61一阶扭转756.79777.572.48二阶挥舞1275.571248.384.19二阶扭转1385.871460.394.33叶片固有频率的计算精度,在很大程度上说明了稳态应力场分析的精确度和单元模型选取是否合适,分析方法是否适用.2.3流固耦合数值计算与空气场相似,水介质流场的流固耦合分析中,流体密度为1.03ˑ103k g/m3,水中声速为1500m/s.采用直接耦合法确定壳体与流体单元之间映射关系,虽然对计算资源要求高,但是省时㊁精度高㊁收敛性好㊁适应性高㊁求解容易.求解运动方程,计算结果见表2.表2水中固有频率计算结果T a b.2 C a l c u l a t i o n r e s u l t s o f n a t u r a l f r e q u e n c y i nw a t e r振型固有频率/H z单叶桨空气中单叶桨水中衰减率λ/%一阶挥舞232.67143.6338.27一阶挥舞扭转耦合686.12496.1527.69一阶扭转777.57567.4427.02二阶挥舞1248.381021.1918.20二阶扭转1460.391141.0921.863模态实验为对计算结果进行校核,本文分别在空气中和水中,对螺旋桨进行瞬态激励实验.整个实验过程在室温条件下进行,将叶片固定在实验台基础上,使用敲击锤M S C-1击打叶片产生脉冲输入信号,振动测试系统连接加速度传感器和压电式力传感器,实时记录力锤在激励时的锤击力.选取叶梢45号实验点为响应位置,放置加速度传感器J C-62526,获取叶片在激励作用下的输出信号至7021电容放大器,将采集的信号经过306D F信号处理器传输至分析系统D A S P,测取叶片的固有频率和模态振型,如图3所示.图3叶片振动特性实验F i g.3 E x p e r i m e n t o f b l a d e v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c751第2期娄本强等:船用螺旋桨流固耦合振动特性分析为了保证空气中叶片计算模型对实际模型的拟真度,桨叶表面选取与计算模型相对应的77个激振点,布置的实验点紧凑,所以可以采集足够多实验点的数据(如图4所示).(a)实验点(b)计算节点图4 实验点与计算节点布置图F i g .4 L a y o u t o f t h e e x pe r i m e n t a l p o i n t s a n d c o m pu t a t i o n a l n o d e s 空气中的实验,采用多点激励㊁单点响应的方法,固定螺旋桨轴毂处,拾取各实验点信号.水中振动实验,在足够大的水域进行,采取单点敲击㊁单点拾振的方法进行测量.当测得螺旋桨在空气中和水中动力特性的信号后,绘制振型图,采用筛选法,确认响应的固有模态,并将各阶模态实验值列于表3中.表3 结构模态实验固有频率T a b .3 N a t u r a l f r e q u e n c y o f s t r u c t u r a lm o d a l e x pe r i m e n t s 振型固有频率/H z 空气中水中衰减率λ/%一阶挥舞232.03146.4836.87一阶挥舞扭转耦合500.49419.9216.10一阶扭转712.89576.1219.19二阶挥舞988.79732.4225.93二阶扭转1120.60957.8014.53将实验得到的测试频率与数值计算得到的有限元频率进行对比,见表4㊁5.表4 空气中计算结果与实验结果的固有频率T a b .4 N a t u r a l f r e q u e n c y o f c o m pu t a t i o n a l a n d e x pe r i m e n t a l r e s u l t s i na i r 干模态振型固有频率/H z 计算结果实验结果误差/%一阶挥舞231.61232.030.18一阶挥舞扭转耦合668.92500.49-33.65一阶扭转752.51712.89-5.56二阶挥舞1075.20988.79-8.74二阶扭转1375.801120.60-22.77表5 水中计算结果与实验结果的固有频率T a b .5 N a t u r a l f r e q u e n c y o f c o m pu t a t i o n a l a n d e x pe r i m e n t a l r e s u l t s i nw a t e r 流固耦合振型固有频率/H z 计算结果实验结果误差/%一阶挥舞143.63146.481.95一阶挥舞扭转耦合496.15419.92-18.15一阶扭转567.44576.121.51二阶挥舞1021.19732.42-39.43二阶扭转1141.09957.80-19.144 经验公式估算流固耦合振动4.1 基础频率估算公式对有关涡轮和压缩机叶片等构件流固耦合问题的探讨,通常依赖于弹性问题的数学公式,因此并不适用于螺旋桨直接应用.多年来也涌现一些设计方案,相对于较高纵横比的叶片有效[17].针对螺旋桨桨叶结构特点,B a k e r 提出了螺旋桨桨叶基础频率的初始估算方法[6].本文针对B a k e r提出的估算公式做出修正,得到空气中螺旋桨桨叶的基本频率经验计算公式(6)和(7).该估算公式具有近似合理㊁简单易用的优点,即使不应用先进的计算设备,也可以得到较准确的基本频率值.基于测试和计算使用的模型,一阶挥舞频率的估计公式如下:f a =0.109(R -r h )2(g E ρ)(t c )c h t h (6)式中:R 为螺旋桨直径,r h 为叶根直径,g 为重力加速度,E 为弹性模量,ρ为材料密度,t 为桨叶平均厚度,c 为桨叶平均弦长,t h 为桨叶根部厚度,c h为桨叶根部弦长.基于测试和计算使用的模型,一阶扭转频率的估计公式如下:851大连理工大学学报第59卷f 'a =0.647(R -r h )(t 0.5c 0.5)(c hc )g G ρ(7)式中:G 为剪切模量,t 0.5㊁c 0.5分别为桨叶在0.5R 处的厚度和弦长.根据式(6)㊁(7)得到给定的螺旋桨结构基础固有频率和一阶扭转频率见表6.表6 空气中公式推导得到的固有频率T a b .6 N a t u r a l f r e q u e n c y de r i v e df r o mf o r m u l a i na i r 振型计算结果/H z 实验结果/H z 估算值/H z 一阶挥舞231.61232.03233.32一阶扭转752.51712.89746.804.2 流固耦合衰减系数λ流固耦合固有频率要低于空气中的值,叶片的振动传递到水中,从而增加了叶片动态行为所激发的水的质量,当叶片周围水的质量增加,系统的共振频率可能会降低.图5为部分文献对螺旋桨进行的数值计算和实验的汇总,其中横坐标为模态阶数i ,纵坐标为衰减系数λ.图5 衰减系数结果汇总F i g .5 S u m m a r y of a t t e n u a t i o n c o e f f i c i e n t s r e s u l t s 根据之前的研究成果,保留相关数据,对结果作相应的归纳总结.简化后提炼出满足工程实用的结论,得出对基础模态流固耦合衰减系数λ的值是0.38.λ=1-m lm l +m wʈ0.38(8)其中m l 为等效桨叶质量,m w 为附连水质量.将给定的衰减系数代入固有频率经验公式,在流固耦合状态下,螺旋桨的流固耦合基础频率推算公式为f w =(1-λ)f a ʈ0.62fa (9)在得到螺旋桨几何尺寸的情况下,可以直接结合空气中螺旋桨估算公式与衰减系数,得到一阶流固耦合振动频率.f 'w =0.620.109(R -r h )2(g E ρ)(t c )c h t h=0.0676(R -r h )2(g E ρ)(tc )c h t h(10)在有详细几何参数的情况下,可以结合流固耦合衰减系数λ,对流固耦合基础频率进行直接计算.将包括本文方法得到的结果与部分文献的研究结果列表对比(表7).表7 水中固有频率估算结果比较T a b .7 C o m pa r i s o no f e s t i m a t i o n r e s u l t s o f n a t u r a l f r e q u e n c yi nw a t e r 结果固有频率/H z参考值公式法计算值误差/%计算结果文献[9]315.42352.5610.53文献[14]686.54618.26-11.04文献[15]19.2719.31-1.82本文143.64144.250.43实验结果B u r r i l l[6]100.0099.20-0.81文献[9]300.00342.6112.44本文146.48143.860.19对比发现本文经验公式估算的螺旋桨桨叶流固耦合基础频率结果存在一定误差,然而优点在于快速有效,适用于初始阶段的估算.为得到更精确的结果,有必要采用F E M 有限元或者F E M -B E M 相结合的方法,进一步精确计算结果.5 结 论(1)A N S Y S 数值计算结果与实验结果趋势保持一致,一阶挥舞和一阶扭转两个模态是最主要的振型,振幅也较大,为主要的研究目标.通过比较结果发现,此两种振型的实验与数值计算之间存在误差,但是误差值不大.本文方法对水下复杂结构振动的数值计算有效,使用已有的有限元工具进行计算,不仅精度高而且成本低㊁消耗少.(2)受实验条件所限,实验过程存在一定的误差:①有限元模态计算的约束条件无法与实验过程中的一致,会引入一定的约束误差.②在实验过程中,敲击锤与叶片表面的接触频率可能会导致功率谱的波动,影响测试频率的精度.③在叶梢处放置传感器,一定程度上改变了质量分布情况.④在水中的实验,受实验条件所限,只能选取最优值.总体而言,本文进行的实验与数值计算的结果951 第2期娄本强等:船用螺旋桨流固耦合振动特性分析基本接近.(3)分析螺旋桨在空气中和半无限域水中的振动固有特性结果,螺旋桨在水中固有频率较空气中有明显降低.频率衰减与振型和模态阶数相关,低阶振动如一阶挥舞,衰减系数较高,但是随着频率增加,激振能量降低,附连水质量减少,使得衰减系数降低.所以,当螺旋桨在水中低频振动时,不能忽略周围流体对螺旋桨的频率影响.(4)在应用现有数值技术(如F E M等)和先进实验设备(如光谱测振仪等)的同时,会有其他的研究者将更新的技术加入螺旋桨设计中;然而对于螺旋桨设计的发展不仅依靠于技术的发展,还取决于工程应用的可行性.通过与本文计算结果和实验结果的对比发现:本文提出的螺旋桨在空气中和水中的一阶挥舞振动固有频率的经验估算公式和一阶扭转振动固有频率的经验估算公式满足估算要求,可以提供一定的概念和应用参考依据.参考文献:[1]邢景棠,周盛,崔尔杰.流固耦合力学概述[J].力学进展,1997,27(1):19-38.X I N G J i n g t a n g,Z H O U S h e n g,C U I E r j i e.As u r v e y o n t h e f l u i d-s o l i d i n t e r a c t i o nm e c h a n i c s[J].A d v a n c e s i n M e c h a n i c s,1997,27(1):19-38.(i nC h i n e s e)[2]孙洋,赵德有.流固耦合理论在船体总振动附加水质量研究中的应用[J].中国海洋平台,2008, 23(3):22-27.S U N Y a n g,Z HA O D e y o u.T h e a p p l i c a t i o n o na d d i t i o n a lw a t e rm a s so f s h i p'so v e r a l l v ib r a t i o nb yt h e f l u i d-s t r u c t u r e c o u p l i n g t h e o r y[J].C h i n aO f f s h o r e P l a t f o r m,2008,23(3):22-27.(i nC h i n e s 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o t a t i o n a l l yp e r i o d i cl i q u i d-f i l l e dv e s s e l(Ⅱ)[J].J o u r n a l o f T s i n g h u a U n i v e r s i t y(S c i e n c e a n dT e c h n o l o g y),1999,39(8):112-116.(i nC h i n e s e) [6]C A R L T O N J S.M a r i n e P r o p e l l e r s a n dP r o p u l s i o n[M].2n d e d.B u r l i n g t o n:E l s e v i e rL t d., 2007.[7]索志强.船舶水弹性力学分析中的边界条件问题[J].海军工程学院学报,1989(2):32-40.S U O Z h i q i a n g.B o u n d a r y c o n d i t i o n s i n s h i ph y d r o e l a s t i c m e c h a n i c s a n a l y s i s[J].J o u r n a l o fN a v a lA c a d e m y o fE n g i n e e r i n g,1989(2):32-40.(i nC h i n e s e)[8]索志强,郭日修.船舶尾部结构振动计算[J].海军工程学院学报,1992(4):17-22.S U OZ h i q i a n g,G U O R i x i u.T h e c a l c u l a t i o n f o r t h e v i b r a t i o no fs h i p s t e r ns t r u c t u r e s[J].J o u r n a lo fN a v a lA c a d e m y o fE n g i n e e r i n g,1992(4):17-22.(i nC h i n e s e)[9]S U O Z h i q i a n g,G U O R i x i u.H y d r o e l a s t i c i t y o fr o t a t i n g b o d i e s-t h e o r y a n da p p l i c a t i o n[J].M a r i n e S t r u c t u r e s,1996,9(6):631-646.[10]沈惠明,赵德有,罗志雍.流固耦合振动问题的特征值解法[J].大连理工大学学报,1990,30(3):369-372.S H E N H u i m i n g,Z HA O D e y o u,L U O Z h i y o n g.S o l u t i o n t o e i g e n v a l u e s o f f l u i d-s o l i d c o u p l i n gv i b r a t i o n p r o b l e m[J].J o u r n a l o fD a l i a nU n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,1990,30(3):369-372.(i nC h i n e s e) [11]郑治国,赵德有,王镐章.螺旋桨的流固耦合动力分析[J].大连理工大学学报,1996,36(2):219-223.Z H E N G Z h i g u o,Z HA O D e y o u,WA N GG a o z h a n g.F l u i d-s t r u c t u r ec o u p l i n g k i n e t i ca n a l y s i so f p r o p e l l e r s[J].J o u r n a lo f D a l i a n U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y,1996,36(2):219-223.(i nC h i n e s e) [12]熊家敏,赵德有,马骏.螺旋桨桨叶固有动力特性方法研究[J].大连理工大学学报,2000,40(6):061大连理工大学学报第59卷737-740.X I O N GJ i a m i n ,Z HA O D e y o u ,MAJ u n .D yn a m i c a n a l y s i so f p r o p e l l e rb l a d e s [J ].J o u r n a lo fD a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y,2000,40(6):737-740.(i n C h i n e s e)[13]娄本强.螺旋桨桨叶流固耦合动力分析与实验研究[D ].大连:大连理工大学,2008.L O U B e n q i a n g .F l u i d -s t r u c t u r ec o u p l i n g d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c a n a l y s i s o f u n d e r w a t e r p r o p e l l e r b a s e d o nF E Ma n d t e s t [D ].D a l i a n :D a l i a nU n i v e r s i t y of T e c h n o l og y ,2008.(i nChi n e s e )[14]吴思远.船用螺旋桨叶片振动噪声分析研究[D ].大连:大连理工大学,2013.WU S i y u a n .A n a l ys i s o f v i b r a t i o n a n d a c o u s t i c r a d i a t i o no f p r o p e l l e rb l a d e s [D ].D a l i a n :D a l i a n U n i v e r s i t y o fT e c h n o l o g y ,2013.(i nC h i n e s e )[15]任弘.螺旋桨水弹性振动及噪声分析[D ].大连:大连海事大学,2015.R E N H o n g .H yd r oe l a s t i cv i b r a t i o na n dn o i s eo fa m a r i n e p r o p e l l e r [D ].D a l i a n :D a l i a n M a r i t i m e U n i v e r s i t y,2015.(i nC h i n e s e )[16]李小军,朱汉华,许浩然,等.水介质对船舶轴桨组合振动模态影响[J ].武汉理工大学学报(交通科学与工程版),2017,41(6):1005-1008,1012.L I X i a o j u n ,Z HU H a n h u a ,X U H a o r a n ,e ta l .I n f l u e n c e o f a qu e o u s m e d i u m o n t h e v i b r a t i o n m o d a l i t y o fs h a f t -p r o p e l l e r s y s t e m i n s h i p [J ].J o u r n a l o f W u h a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y (T r a n s p o r t a t i o n S c i e n c e &E n g i n e e r i n g ),2017,41(6):1005-1008,1012.(i nC h i n e s e)[17]朱文若,高忠信,陆力,等.离心泵叶轮水中固有频率经验下降系数分析及优化[J ].水利学报,2013,44(12):1455-1461.Z HU W e n r u o ,G A O Z h o n g x i n ,L U L i ,e ta l .A n a l y s i s a n d o p t i m i z a t i o n o n n a t u r a lf r e qu e n c i e s d e p r e c i a t i o n c o e f f i c i e n t o f c e n t r i f u g a l p u m p i m pe l l e r i n w a t e r [J ].J o u r n a lof H y d r a u l i c E ng i n e e r i n g ,2013,44(12):1455-1461.(i nChi n e s e)F S I v i b r a t i o n s c h a r a c t e r i s t i c s a n a l y s i s o fm a r i n e p r o pe l l e r L O U B e n q i a n g , J I C h u n ya n *(S c h o o l o f N a v a l A r c h i t e c t u r e &O c e a nE n g i n e e r i n g ,J i a n g s uU n i v e r s i t y o f S c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ,Z h e n j i a n g 212003,C h i n a )A b s t r a c t :O n t h e v o y a g e o fm e r c h a n t v e s s e l ,i t i sn e c e s s a r y t oa v o i d t h e r e s o n a n c ew h e nt h eh yd r oe x c i t e df o r c ed r i v e s t h e p r o p e l l e ra r o u n das p e c i f i c f r e q u e n c y .S t r o ng c o u p l i n g nu m e r i c a l s i m u l a t i o n a n d t r a n s i e n t m o d a le x p e r i m e n ta r eu s e dt oa n a l y z et h en a t u r a lf l u i d -s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n (F S I )v i b r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c so f p r o pe l l e rb l a d e s i na i ra n d i n i m m e r s e ds t i l lw a t e rf i e l d .I t i sd i s c o v e r e d a m o ng th e r e s u l t s t h a t g o o d a g r e e m e n ti s a c h i e v e d b e t w e e nF E Ma n d e x p e r i m e n t ;f u r t h e r m o r e ,s t r o n g c o u p l i n g n u m e r i c a l s i m u l a t i o nh a s t h em e r i t o f q u i c k c o n v e r g e n c e a n dh i g h p r e c i s i o n .A c c o r d i n g t o t h e p r a c t i c a l d e m a n do fi n d u s t r y ,as i m p l ef o r m u l ai sb r o u g h to u tf o rt h e p r e d i c t i o n o ff u n d a m e n t a l f r e q u e n c y ,w h i c hh a s a g r e a t a d v a n t a g e o f a c c u r a c y ,a n db e i n g t i m e e f f i c i e n t f o r i n i t i a l d e s i gn .K e y wo r d s :p r o p e l l e r v i b r a t i o n ;f l u i d -s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n (F S I );t r a n s i e n tm o d a l e x p e r i m e n t ;s t r o n g c o u p l i n g nu m e r i c a l s i m u l a t i o n ;f o r m u l a e s t i m a t i o nm e t h o d s 161 第2期娄本强等:船用螺旋桨流固耦合振动特性分析。
复合材料螺旋桨流固耦合分析方法研究
(M)ad Fnt Ee n to F M) a a i u, nw ihf i l n d l f o p s epo P n ii l e me t h d(E w sc  ̄ e ot i hc nt e met Me d i e e mo e o m oi r- c t
中 图分 类 号 :U6 13 6 _1 文 献 标 识 码 :A
S u y 0 u d a d sr c u e i t r c i n f r t d ff i n t u t r n e a t o l o
c n pos a l 0De l r or ● ie m r● t Dr ne le s
桨 流 固耦 合 分 析 技 术 , 试 了其 收 敛 性 。该 技 术 针 对 5 7 测 4 4复 合 材 料 螺 旋 桨 的分 析结 果 与 文 献 结 果 吻 合 良好 , 为 复合 材 料 螺 旋 桨 性 能 分 析 提 供 了必 要 的 工具 。 关键词 : 复合 材料 螺 旋 桨 ;流 固耦 合 ; 载 荷 ; 形 外 变
y i tc nq ewa ne rtd h o v re c stse .C mp s e p o elr5 7 a n lzd b h ss e h iu sitg ae ,te c n eg n ewa e td o oi rp l 4 4 w sa ay e yt e t e
基于流固耦合的螺旋桨性能分析及参数优化
基于流固耦合的螺旋桨性能分析及参数优化安 邦,朱汉华,范世东,张喜胜,余 卫(武汉理工大学 能源与动力工程学院,湖北 武汉 430063)摘要: 为了研究某型螺旋桨水动力及强度特性。
首先建立螺旋桨实体模型,再在CFX中设置计算条件,运用CFD有限元方法计算与分析不同进速下螺旋桨的推力系数、转矩系数、敞水效率以及桨叶压力分布等水动力参数特性及其变化趋势;然后通过Workbench平台应用流固耦合方法,将CFX求解得到的螺旋桨表面压力载荷加载到螺旋桨结构强度分析模型上,对螺旋桨的强度进行计算。
最后通过改变纵倾角和螺距对螺旋桨结构进行优化,并将仿真结果与原桨比较,结果表明适当增大纵倾角能增大螺旋桨强度,适当降低螺距能提高螺旋桨敞水效率、提高抗空泡性能并增大螺旋桨强度。
关键词:螺旋桨;CFD;水动力性能;流固耦合;强度分析中图分类号:U661 文献标识码:A文章编号: 1672 – 7649(2017)08 – 0041 – 06 doi:10.3404/j.issn.1672 – 7649.2017.08.009Performance analysis and parameter optimization of propeller based on fluid solid coupling AN Bang, ZHU Han-hua, FAN Shi-dong, ZHANG Xi-sheng, YU Wei(School of Energy and Power Engineering, Wuhan University of Technology, Wuhan 430063, China)Abstract: In order to study a certain type of propeller and propeller strength characteristics. Firstly, the entity model, and then set the calculation conditions in CFX, the calculation and analysis of the thrust coefficient, different velocity of pro-peller by using CFD finite element method for torque coefficient, open water efficiency and blade pressure distribution char-acteristics of hydrodynamic parameters and its change trend; and then through the Workbench the application platform flow solid coupling method, CFX obtained the pressure surface of propeller load to the propeller structure strength analysis model, to calculate the strength of the propeller. Finally, by changing the pitch angle and the pitch of the propeller structure optimiz-ation, and simulation results will be compared with the original propeller, the results showed that the appropriate increase of the trim angle can increase propeller strength, appropriate to reduce the pitch can improve propeller open water efficiency, improve the anti cavitation performance of propeller and increase strength.Key words: propeller;CFD;hydrodynamic performance;fluid structure interaction;strength analysis0 引 言船用螺旋桨工作时,螺旋桨承受自身重力、离心力和水动力载荷等多力作用,受力情况复杂[1],导致螺旋桨的穴蚀、疲劳断裂等问题,需要从水动力和螺旋桨强度方面研究螺旋桨的破坏原因。
基于有限元和面元法的弹性螺旋桨流固耦合特性分析
基于有限元和面元法的弹性螺旋桨流固耦合特性分析李家盛;张振果;华宏星【摘要】基于三维频域面元和有限元耦合方法建立了螺旋桨双向流固耦合问题的数学模型,推导了螺旋桨双向流固耦合附加质量矩阵以及附加阻尼矩阵,分析了螺旋桨侧斜角以及来流速度对于附加质量矩阵以及附加阻尼矩阵的影响.结果表明,桨盘面来流速度对于附加质量效应影响很小,但对附加阻尼效应影响显著;考虑附加水质量时,螺旋桨侧斜角越大,弹性桨叶第一阶弯曲模态频率下降越多,而第一阶桨叶扭转模态呈现相反规律.研究方法和结果可为低噪声螺旋桨设计提供必要的理论参考.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2018(037)021【总页数】8页(P14-21)【关键词】流固耦合;水弹性;大侧斜螺旋桨;有限元;面元法【作者】李家盛;张振果;华宏星【作者单位】上海交通大学机械系统与振动国家重点实验室,上海200240;上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心,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;上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心,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;上海交通大学高新船舶与深海开发装备协同创新中心,上海200240【正文语种】中文【中图分类】O323船后非均匀伴流诱导的非定常螺旋桨轴承力是舰船振动和声辐射的重要影响因素,对螺旋桨载荷的准确预报对于有效控制舰船振动噪声具有重要价值。
由于螺旋桨浸没于水下,考虑水弹性影响是非定常轴承力高精度预报的必要环节。
水弹性的影响通常包括螺旋桨在流体里的附加质量效应和附加阻尼效应,它们分别正比于螺旋桨振动的加速度和速度。
MacPherson等[1]给出了预测B系列桨和KCA系列桨纵向振动以及扭转振动的附加质量半经验公式。
Gaschler等[2]通过三维面元法,分别得到了在空泡和非空泡状态下,螺旋桨整体做俯仰振动时的附加质量和附加阻尼,揭示出空泡对螺旋桨水弹性性质有较大影响。
螺旋桨水动力性能及流固耦合数值模拟
螺旋桨水动力性能及流固耦合数值模拟螺旋桨是水上运输的重要工具之一。
螺旋桨的水动力性能是影响船舶速度、稳定性和燃油消耗等重要参数的关键因素。
为了提高船舶的效率和稳定性,研究螺旋桨的水动力性能和流固耦合数值模拟显得至关重要。
螺旋桨的水动力性能包括推力、扭矩、效率等指标。
推力是指螺旋桨在运转时,水对它的推动力,扭矩是指螺旋桨的旋转产生的力矩,效率则是指螺旋桨的输出功率与输入功率之比。
这些指标可以通过模拟实验测量获得。
同时,因为螺旋桨运动过程中涉及到水流的流动,因此需要进行流固耦合数值模拟。
流固耦合是指流体流动与固体结构动态耦合的过程。
在螺旋桨的流固耦合数值模拟中,需要考虑螺旋桨和流场之间的相互影响,包括螺旋桨叶片对水流的影响和水流对螺旋桨叶片的响应。
这些因素是影响螺旋桨水动力性能的关键因素之一。
针对螺旋桨的水动力性能和流固耦合的数值模拟,有许多研究展开。
相关的实验室实验、水池试验和数值模拟已经被广泛应用于螺旋桨水动力性能的研究。
此外,还可以采用各种不同的方法,如计算流体力学(CFD)、有限元方法(FEM)以及流体-结构相互作用分析(FSI)等方法,用于螺旋桨的水动力性能研究和流固耦合数值模拟。
螺旋桨水动力性能和流固耦合数值模拟是船舶设计和运营中的重要研究方向之一。
通过研究螺旋桨的水动力性能和流固耦合数值模拟,可以帮助船舶行业提高船舶的效率和稳定性,降低燃油消耗和碳排放等方面。
因此,在未来,螺旋桨水动力性能和流固耦合数值模拟的研究将十分重要。
对于螺旋桨水动力性能的相关数据,主要包括推力、扭矩和效率等指标。
推力指的是螺旋桨在运转时,水对其产生的推动力,它是用牛顿(N)或千克力(kgf)来衡量的。
扭矩是指螺旋桨的旋转所产生的力矩,它用牛顿米(N·m)或磅-英尺(lb-ft)来衡量。
而效率则是指螺旋桨的输出功率与输入功率之比。
通过对螺旋桨的相关数据进行分析,可以得到以下结论:首先,推力与扭矩之间存在着一定的关系。
船舶螺旋桨流固耦合稳态求解算法
船舶螺旋桨流固耦合稳态求解算法张帅;朱锡;侯海量【摘要】To explore the influence of the deformation of composite blades on the hydrodynamic performance of a propeller, the propellers openwater performance was calculated based on a RANS equation, and the results of three different turbulence models were compared with experimental data. The predicted results agree well with the experimental data. The deformed geometrical parameters of the propeller blade such as trim, skew angle, rake, and the sectional pitch angle were derived and a coupled computational fluid dynamics (CFD) and finite element method (FEM) solving steady state was presented in this paper. In the coupling process, the fluid pressure on the biade was calculated with the CFD, and then the calculated fluid pressure was transferred to the FEM by the interpolation on the interface between the FEM and CFD. The deformation of the blades and stress distribution were calculated and then the deformed geometry of the propeller was input into the CFD again. The process was repeated until convergence was achieved and equilibrium was found. The stress distribution and deformation of the propeller blade can be calculated at different advance velocities and revolving velocities by the coupling method, and the pressure of the deformed blade as well as the hydrodynamic performance can be also calculated. The coupling approach is suitable for the design of composite propellers.%为了研究复合材料变形特性对螺旋桨水动力性能的影响,运用计算流体力学(CFD)理论,结合雷诺时均纳维斯托克斯(PANS)方程和3种湍流模型,计算了螺旋桨的敞水性能并将其和试验结果进行了对比,两者吻合较好,验证了流体计算的准确性.推导了变形后的螺旋桨纵倾、侧斜、叶切面螺距以及拱度等几何参数,并将CFD软件计算和有限元求解耦合起来,即首先利用流体计算软件计算桨叶压力载荷,再将流体载荷通过插值技术传递给有限元,计算出螺旋桨的变形,然后再将变形后的桨叶几何输入流体计算软件,反复迭代,直至结果收敛的过程,实现了螺旋桨稳态性能求解的流固耦合算法.该算法可以计算螺旋桨在不同转速和进速下的应力分布和变形,能够求解螺旋桨变形后的压力分布和水动力性能,适用于复合材料螺旋桨的设计.【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》【年(卷),期】2012(033)005【总页数】7页(P615-621)【关键词】计算流体力学(CFD);螺旋桨;敞水性能;流固耦合【作者】张帅;朱锡;侯海量【作者单位】海军工程大学船舶与动力工程学院,湖北武汉430033;海军工程大学船舶与动力工程学院,湖北武汉430033;海军工程大学船舶与动力工程学院,湖北武汉430033【正文语种】中文【中图分类】U661.31水面舰艇螺旋桨大多采用锰-镍-铝-铜或镍-铝-青铜合金制成.尽管合金材料具有屈服强度高和可靠性好等优势,但加工成螺旋桨几何形状的难度较高,且金属螺旋桨较差的声学性能使得其极易因振动而产生噪声.而纤维增强复合材料具有比强度高、耐腐蚀性好、良好的阻尼特性以及材料可设计性强等优点.因此复合材料应用于舰船螺旋桨和潜艇推进系统中[1]将改善螺旋桨的综合性能.但不同于金属螺旋桨,复合材料螺旋桨在水动力作用下会产生大的变形,其水动力性能必然发生变化.因此要得到复合材料螺旋桨的水动力性能,螺旋桨的流-固耦合算法是基础.传统的螺旋桨理论设计与计算建立在势流理论基础之上,未能全面考虑粘性的影响且不考虑旋度,因而无法准确预测桨叶边界层、螺旋桨尾流场的结构及桨叶梢涡的形成等真实情况下的流动特性[2].基于RANS方程的粘性流场计算螺旋桨的流场特性的方法日趋完善,黄胜等[3-5]等分析了螺旋桨在不同工作状态下的水动力性能.关于螺旋桨流-固耦合算法的研究,LIN H J等[6]采用升力面法和九节点退化壳单元耦合算法,实现了求解复合材料螺旋桨的水动力性能的算法.Young Y L[7]研究了面元法和软件ABAQUS耦合的螺旋桨流-固耦合计算方法,但这些方法均是基于势流理论的螺旋桨水动力计算.本文首先通过不同湍流模型和试验,验证求解螺旋桨的敞水性能,再将粘性流场计算软件和有限元耦合起来,推导变形后螺旋桨的几何参数,实现螺旋桨流-固耦合的稳态求解算法.本文计算采用实验测得的复合材料板拉伸模量和泊松比,将复合材料考虑为各向同性,没有考虑复合材料的铺层结构.1 数学模型1.1 流体控制方程考虑螺旋桨在粘性湍流中旋转,其连续性方程和动量方程可表示为:连续方程:动量方程:式中:p是静态压力;μ是湍流粘度;ρ是液体密度;为Reynolds应力.RANS方程虽然不用求解流场中的瞬时量,但是方程却引入了新的未知量-雷诺应力,这时的方程解不封闭.要封闭求解方程,就必须引入新的方程,这些方程通过各种湍流模型来定义.1.2 湍流模型的选取为使RANS方程封闭,将雷诺应力用低阶或时均量表达,即湍流模型.封闭RANS 方程主要有REYNOLDS应力方程模型(RSM)与涡粘模型2种.涡粘模型以湍流各向同性为基础,认为雷诺应力和时均速度呈线性关系,该类模型求解简单,计算容易收敛.涡粘模型应用较广泛的有κ-ε,RANG κ-ε模型和SST κ-ω模型.而RSM模型以湍流各向异性为基础,考虑雷诺应力的对流和扩散作用,直接寻找雷诺应力的输运方程.本文通过比较分析几种常用湍流控模型,通过求解时间和求解精度方面的对比以及考虑到流固耦合本身对计算机性能的要求等方面进行综合考虑.螺旋桨水动力性能计算模型选择SST κ-ω湍流模型.该模型是利用混合函数将κ-ε和κ-ω2方程相结合而构建的湍流模型,在近壁区采用κ-ω方程,其他区域则采用κ-ε方程以获得湍流粘性作用,考虑了κ-ω方程近壁区模拟时的有效性及远场区无法准确模拟的不足[8].最终选择SST κω模型求解螺旋桨的流固耦合特性.1.3 计算方法计算螺旋桨流场的控制方程是一系列非线性偏微分数学物理方程,需借助数值方法对其进行求解.本文利用Ansys/cfx软件完成该数值计算.收敛判据设定为0.000 1.计算区域分为内、外2个流域,在内流场建立一个固定于螺旋桨的旋转坐标系,采用MRF坐标系模型对螺旋桨周围的旋转流场进行计算,外围流场则在绝对静止坐标系下进行求解.将进口边界设置为速度入口条件,给定均匀来流的速度分量;出口边界给定静压分布,外边界设为开放界面;考虑粘性影响,螺旋桨表面定义为不可滑移壁面.2 流体计算模型文中采用DTMB4119螺旋桨,它是一种无侧斜无后倾分布的三叶螺旋桨,被ITTC选为验证数值方法预报精度的标准模型.桨叶直径为0.304 8 m,盘面比为0.6,桨叶剖面为NACA-66(mod)型,毂径比为0.2,螺距比(0.7R)为1.084.文中采用Excel编制计算过程文件,计算出螺旋桨叶面和叶背各个半径处的型值点,将计算出的型值点转换为文本文件,然后导入SolidWorks软件中,建立三维实体螺旋桨模型.螺旋桨几何模型和坐标如图1所示.坐标轴的定义为:x轴与螺旋桨的旋转轴一致,指向下游;y轴与桨叶参考线一致;z轴符合右手法则.计算采用全尺寸模型,转速为n=10 r/s和20 r/s,通过改变来流速度来实现不同的进速系数.网格质量直接决定计算的收敛性、效率和精度,因此,应根据流场中各物理量的分布特点对计算域进行合理的网格划分[1].图1 4119桨几何模型Fig.1 Geometry of propeller 4119将求解域分成旋转区和静止区2个区,采用非结构网格划分方法,2个区采用CFX的GGI方式连接.即首先在螺旋桨表面生成三角形网格,再通过值要控制在30~300,通过多次试算确定表面网格大小和桨叶边界层的过渡方式和层数.螺旋桨表面网格和壁面棱柱过渡层网格如图2所示.总网格数为120×104.图2 螺旋桨表面网格和过渡层Fig.2 Surface grids and transition layers3 结构模型通过流体计算软件求出螺旋桨的水动力载荷以后通过Ansys-cfx软件指定流固耦合界面将流体压力通过表面效应单元的方式传递给有限元单元.因流体计算和结构计算采用的是非同种单元类型,为保证求解精度和数据传递的准确性,在划分有限元网格时保证导边和随边以及叶梢附近的网格要密一些.经多次试算后的有限元网格如图3所示.考虑到螺旋桨自身质量和运转工况,在ANSYS中设置旋转轴和施加旋转速度即可施加离心力和重力作用,桨叶根部边界为固支端.计算模型采用的材料参数如表1所示,其中S玻璃纤维为实验所测板拉结果,计算出的铝青铜材料桨叶的变形比S玻纤桨叶变形低一个数量级,因此主要考虑高强S玻纤的桨叶结构.计算用复合材料桨几何和金属桨几何相同.图3 桨叶有限元计算模型Fig.3 Finite element model of the blade表1 桨叶材料参数Table 1 Properties of the materials牌号弹性模量/ GPa 泊松比密度/kg·m-3 S玻纤20 0.18 2 100 ZQAL12-8-3-2 124 0.33 7 4004 螺旋桨敞水性能计算和验证对于流体动力载荷,由于桨叶工作于复杂的流场中,叶面和叶背受到分布载荷,这种载荷既不均匀,也不满足一些简单规律,因此如何尽可能真实地模拟桨叶的载荷分布是流固耦合分析的关键所在.4.1 螺旋桨敞水性能计算和对比为了实现结构载荷计算的准确性,首先采用几种常用的湍流模型(κ-ε,SST κ-ω和RSM)对比求解螺旋桨的水动力敞水性能并和JESSUP S D[9]实验结果进行了对比.对比结果如图4、5所示,螺旋桨敞水动力参数的计算值和实验结果吻合较好,计算所得的KT和10KQ与实验结果的最大误差除了κ-ε模型为12.5%以外,SSTκ-ω为9.6%和RSM为8%,而对于螺旋桨效率的计算值仅有κ-ε模型超过了11.5%,而其他情况误差均在5%.需要指出的是,最大误差值均出现于最大进速情况.原因在于相同转速和相同直径下,进速越大,相应的推力和扭矩越小,任何一个干扰就会导致预测值和实验值的误差增加很大.整体来看SSTκ-ω模型和RSM 模型均能得到精度较高的计算结果.图6为在同台计算机上不同湍流模型在不同进速下的计算时间对比图.由图6可知,相同进速下RSM模型的求解时间最长,在低进速时尤为明显,κ-ε求解时间最短,而SSTκ-ω模型求解时间接近κ-ε模型. 从以上对比可知,SSTκ-ω模型可以在保证求解精度的情况下,求解时间减少很多.另考虑到流固耦合计算本身对计算机求解性能和求解时间的严格要求,综合考虑,螺旋桨流体计算湍流模型采用SSTκω模型.图4 计算KT和10KQ与实验结果的对比Fig.4 Comparisons of calculated and experimental KT and 10 KQ图5 计算效率ETA和实验结果对比Fig.5 Comparisons of calculated and experimental ETA4.2 螺旋桨表面压力分布对比图7为螺旋桨在设计工况J=0.833时,r/R= 0.3、0.7和0.9半径上JESSUP S D实验换算得到的弦向压力分布和采用SSTκ-ω计算值的比较.从压力系数比较结果可以看出,在外半径r/R=0.7和0.9处,叶切面弦向压力分布的预报值与试验值吻合较好;而在内半径r/R=0.3处,预报值与试验值出现一定的偏差.这主要是由于JESSUP S D的结果是采用势流的伯努利方程换算得到的,没有考虑旋涡和粘性的影响所致.在半径r/R=0.3处,桨轴边界层和桨叶边界层同时存在,旋涡和粘性的影响较大,造成粘性计算结果和势流换算结果的偏差.总体来看,预报压力值和试验压力结果趋势一致,吻合较好,再次说明采用SSTκ-ω湍流模型可以准确预报螺旋桨的压力分布.图6 求解时间对比(n=10r/s)Fig.6 Comparisons of calculated durations(n=10 r/s)图7 叶切面压力分布系数Fig.7 Comparisons of pressure coefficient5 变形后桨叶几何参数的推导桨叶参考线即叶剖面鼻尾线中点的坐标:[10]设导边的坐标为(xl,r,θl)或(xl,yl,zl),随边的坐标为(xt,r,θt)或(xt,yt,zt),叶宽(即弦长)分布为C(r),则桨叶的轮廓线可表示:式中:C(r)为叶剖面弦长;φ(r)为叶剖面螺距角;下标l、t分别表示导边(取-)和随边(取+).选择无量纲弦长s,导边表示为0,随边表示为1,桨叶弦向中点为1/2,桨叶剖面的拱度和厚度分布分别表示为f(s)和t(s),桨叶拱弧面的表达式为:式中:下标c表示为拱弧面;δk=2π(k-1)/K,k= 1,2…,K,为桨叶数.设变形后的导边和随边节点坐标和,则变形后螺旋桨桨叶参考线的坐标为变形后各叶切面半径为rref:将式(6)和式(7)代入式(3)得变形后的侧斜角再代入式(4),求出变形后的叶切面螺距角在推导式(9)的过程中,由于螺旋桨的变形量很小,所以认为C(r)不变.将和代入式(4)就可得到变形后的纵倾(r).最后将所有变形后的节点坐标代入到式(5)桨叶拱弧面的方程中,就可得到变形后的拱弧f'(s)6 螺旋桨流固耦合算法的实现复合材料螺旋桨桨叶受到水动力载荷和离心力的作用,会产生较大的变形,那么桨叶结构的离散方程为式中:K为桨叶刚度矩阵,u桨叶节点位移矢量矩阵,F为桨叶所受外载荷矩阵.而式(11)中位移矢量矩阵u需采用有限元软件计算,而F求解需要流体计算软件.两者求解的平衡实现需借助流固耦合算法.因此设计了一种求解螺旋桨性能的流固耦合算法,求解流程如图8所示.图8 流固耦合的算法求解流程图Fig.8 Flow chart of computation algorithm of FSI计算采用稳态求解,不考虑瞬时效应.详细求解过程为:1)通过第2节中的方法建立螺旋桨的流体计算模型,计算出螺旋桨的敞水性能和压力分布.2)将1)计算的压力载荷结果通过流固耦合界面的方法传递给第3节中建立的有限元模型,计算出螺旋桨的变形,将变形后的桨叶节点坐标输出到文本文件.3)采用第5节中的方法确定变形后的螺旋桨几何参数,建立变形后的螺旋桨几何模型.4)将变形后的几何再次输入到CFD软件中求解螺旋桨的敞水性能和压力分布.5)判断是否满足平衡方程和收敛条件,如果满足则输出计算结果,包括结构变形量、应力场、推力、扭矩以及推进效率等.如不满足收敛条件,重复迭代2)、3)、4)步,直至结果收敛.文中指定的收敛准则为2个迭代步内的推力系数和扭矩系数小于2%.计算过程一般迭代2次就可达到收敛.7 应力、变形计算及变形后的压力分布7.1 应力水平和变形分布图9是不同转速、不同进速下的MISE应力分布和变形对照图(变形均放大20倍).设计工况,n=10 r/s和 20 r/s时,最大等效应力分别为2.3 MPa和8.62 MPa.由图可以看出,相同转速不同进速情况下,低进速情况下的MISE应力比高进速下的要大.不同转速,相同进速情况,转速高的应力要比转速低的要大.最大MISE应力分布均在叶根弦向中心位置.根据螺旋桨理论可知,相同转速下,在低进速时为螺旋桨的“重载”状态,推力和扭矩均较大;高进速时为“轻载”状态,推力和扭矩较小,所以在低进速时螺旋桨的变形要比高进速的大,应力分布也是一致的.相同进速,不同转速下,根据螺旋桨的无因次理论,推力和扭矩增大数为2的转速倍数次方.弹性范围应力和变形也增加同样倍数.图10和图11是不同转速、进速下的桨叶变形分布.从图10可以看出,桨叶变形引起了桨叶侧斜的改变.4119螺旋桨为无侧斜桨,变形后侧斜角为正值,即向随边倾斜.相同转速时,低进速的侧斜改变比高进速的大,这与前面分析的受力规律一致.而图11则显示了在水动力载荷的作用下,桨叶朝着船体方向变形,且在叶稍附近达到最大值,变形规律类似悬臂梁.变形后的桨叶剖面鼻尾线在螺旋桨轴向(x轴)方向的投影有零变为正值,即导致产生了纵倾的分布.另桨叶朝着船体方向变形,促使各半径处的螺距角分布改变.即在随边附件变形大,导致螺旋桨桨叶螺距的变小. 图9 不同转速n、进速J下的MISE应力分布Fig.9 MISE stress distribution at different n and J图10 侧斜的改变(线框为未变形,实体为变形后)Fig.10 Changes of the blade skew图11 纵倾的改变(线框为未变形,实体为变形后)Fig.11 Changes of the blade rake7.2 变形前、后桨叶的压力分布图12为设计进速J=0.833时变形前后桨叶压力面和吸力面的压力分布对比图.如图12所示,变形的叶稍改变了叶稍附近压力的分布.变形后正压力峰值相应减小,负压力峰值相对升高.图12 J=0.833螺旋桨变形前后压力分布(n=10 r/s)Fig.12 Predicted pressuredistribution of 4119 in the undefand def-configuration,J=0.833,n=10 r/s 8 结论1)对螺旋桨进行稳态流固耦合分析,SST κ-ω湍流模型预报精度高且求解时间合理.2)实现了螺旋桨的流固耦合算法,可以求解桨叶的变形和应力分布及变形后的推进性能.3)螺旋桨在水动力作用下产生的变形,改变了螺旋桨的初始几何参数,因此改变了螺旋桨的压力分布,从而改变了螺旋桨的水动力性能.对于易于变形的复合材料螺旋桨设计、计算,要考虑桨叶变形的影响.【相关文献】[1]MOURITZ A,GELLERT E,BURCHILL P,et al.Review of advanced composite structures for naval ships and submarines[J].Composite Structures,2001,53:21-41. [2]高富东,潘存云,蔡汶珊,等.基于CFD的螺旋桨敞水性能数值分析与验证[J].机械工程学报,2010,46(8): 133-139.GAO Fudong,PAN Cunyun,CAI Wenshan,et al.Numerical analysis and validation of propeller open-water performance based on CFD[J].Journal of Mechanical Engineering,2010,46(8):133-139.[3]黄胜,王超,王诗洋.不同湍流模型在螺旋桨水动力性能计算中的应用与比较[J].哈尔滨工程大学学报,2009,30(5):484-485.HUANG Sheng,WANG Chao,WANG Shiyang.Application and comparison of different turbulence models in the computation of a propeller’s hydrodynamic performance[J]Journal of Harbin Engineering University,2009,30(5): 484-485.[4]沈海龙,苏玉民.基于滑移网格技术的船桨相互干扰研究[J].哈尔滨工程大学学报,2010,31(1):1-7.SHEN Hailong,SU e of the sliding mesh technique to analyze interaction between ship hulls and propellers[J].Journal of Harbin Engineering University,2010,31 (1):1-7.[5]王超,黄胜,单铁兵.基于多块混合网格方法预报螺旋桨非正常工作状态时的水动力性能[J].船舶力学,2010,14(1/2):51-55.WANG Chao,HUANG Sheng,SHAN putations of the propeller’s hydrodynamic performance in abnormal working condition based on multi-block meshes [J].Journal of Ship Mechanics,2010,14(1/2):51-55.[6]LIN H J,LIN J J.Nonlinear hydro-elastic behavior of propellers using a finite-element method and lifting surface theory[J].Journal of Marine Science and Technology,1996,1:114-124.[7]YOUNG Y L.Fluid-structure interaction analysis of flexible composite marine propellers[J].Journal of Fluids and Structures,2008,24:799-818.[8]李巍,王国强,汪蕾.螺旋桨粘流水动力特性数值模拟[J].上海交通大学学报,2007,41(7):1200-1203.LI Wei,WANG Guoqiang,WANG Lei.The numerical simulation of hydrodynamics characteristic in propeller[J].Journal of Shanghai Jiaotong University,2007,41(7):1200-1203.[9]JESSUP S D.An experimental investigation of viscous aspects of propeller[D].Washington DC:The Catholic University of America,1989:65-154.[10]王国强,董世汤.船舶螺旋桨理论与应用[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,2007:89-94,113-114.。
螺旋桨水动力性能及流固耦合数值模拟
螺旋桨水动力性能及流固耦合数值模拟黄璐,陈立,邱辽原,解学参【摘要】根据螺旋桨局部坐标转换成全局坐标的型值,建立螺旋桨的三维几何模型。
基于商业软件,分别研究分区混合流体网格和结构网格的划分。
使用Fluent软件分析螺旋桨的敞水性能,结合MRF转动模型和SST湍流模型研究螺旋桨在不同进速系数下的推力、转矩和敞水效率。
与实验测量值比较,证实了该方法的工程可用性。
基于Workbench平台,将CFD软件计算和有限元求解耦合起来,研究螺旋桨敞水时的单向流固耦合作用,对桨叶的结构强度进行校核计算,并分析螺旋桨应力,变形与进速系数的关系。
【期刊名称】舰船科学技术【年(卷),期】2014(000)011【总页数】5【关键词】螺旋桨;水动力性能;流固耦合;数值模拟0 引言船用螺旋桨水动力性能数值预报的方法主要基于粘性流或势流。
基于势流理论的升力线理论,升力面理论和面元法虽然广泛应用于螺旋桨的设计与性能预报,但由于势流理论忽略了流体粘性的影响,无法准确预报螺旋桨的尾流场。
随着CFD技术的发展,利用CFD技术预报螺旋桨的水动力性能开始得到广泛的应用。
目前粘性流的计算主要是基于RANS方法,对螺旋桨周围流场进行数值预报与流场分析,计算结果与实验结果吻合较好。
常规的螺旋桨强度计算采用分析计算法,该方法把桨叶作为简单的悬臂梁,推力系数和扭矩系数沿桨叶径向的分布形式按经验公式来假定,假定线性规律分布,计算包含大量简化,因此这种方法不能准确的进行强度计算。
有限元法是将连续的求解域离散为一组有限个单元的组合体,这样的组合体能解析地模拟或逼近求解区域。
因此,采用有限元法可以准确的对螺旋桨结构强度计算,得到桨叶变形及产生的应力。
螺旋桨数值预报的影响因数有很多,如几何模型的精确度、网格类型和质量、湍流模型、离散方式、求解算法等。
本文采用Gambit软件,根据螺旋桨的投影原理及型值参数进行三维建模。
基于结构/非结构网格分区拼接嵌套技术,分别进行分区混合流体网格和结构网格的划分,采用Fluent软件对敞水螺旋桨的水动力性能进行数值模拟,并分析流场的一些重要现象及特征。
螺旋桨桨叶流固耦合动力分析与试验研究的开题报告
螺旋桨桨叶流固耦合动力分析与试验研究的开题报告一、选题背景及意义螺旋桨作为推进器件,在海军、民用船舶及水下机器人等领域得到广泛应用。
在提高航速、降低振动噪声等方面均发挥着重要作用。
但其桨叶在工作过程中受到的流体力学力的影响较大,如水流的湍流、旋转等都会对桨叶的工作状态造成影响。
因此,对螺旋桨桨叶流固耦合动力进行研究具有重要的理论和应用价值。
本课题旨在开展螺旋桨桨叶流固耦合动力分析与试验研究,通过建立数学模型和试验验证,深入探究螺旋桨桨叶流固耦合动力的规律,为螺旋桨的设计和优化提供理论依据和实验支持。
二、研究内容和技术路线(一)研究内容1.建立螺旋桨桨叶流固耦合动力数学模型,分析桨叶在水流中的受力情况;2.开展螺旋桨桨叶流固耦合动力试验研究,验证数学模型的准确性和可靠性;3.通过比较数学模型和试验结果,分析螺旋桨桨叶流固耦合动力的规律及其对桨叶工作状态的影响,为螺旋桨的优化设计提供理论支持和实验依据。
(二)技术路线1.材料准备:制备符合试验要求的螺旋桨模型和试验设备;2.建立数学模型:根据螺旋桨的物理特性,建立桨叶流固耦合动力数学模型,从理论上探究桨叶的运动规律;3.试验研究:在试验设备中进行螺旋桨桨叶流固耦合动力试验,记录试验数据,并对其进行分析和处理;4.数据分析:将试验数据与数学模型的计算结果进行比较,分析螺旋桨桨叶流固耦合动力的规律及其对桨叶工作状态的影响。
三、预期成果本课题所研究的螺旋桨桨叶流固耦合动力分析与试验研究,旨在深入探究螺旋桨桨叶在水流中的运动规律及其对桨叶工作状态的影响,为螺旋桨的优化设计提供理论支持和实验依据。
预期成果包括:1.建立螺旋桨桨叶流固耦合动力数学模型,揭示桨叶受力情况及其运动规律;2.开展螺旋桨桨叶流固耦合动力试验研究,验证数学模型的准确性和可靠性;3.分析螺旋桨桨叶流固耦合动力的规律及其对桨叶工作状态的影响,为螺旋桨的优化设计提供理论支持和实验依据。
四、进度安排第一年:1.进行文献调研,掌握螺旋桨桨叶流固耦合动力的研究现状和发展趋势;2.建立螺旋桨桨叶流固耦合动力数学模型,分析桨叶在水流中的受力情况,并进行相关计算分析;3.进行试验设备的设计和制备,并进行试验的前期准备工作。
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Part 4
流固耦合分析案例
厂 房 四 季 暖 通 分 析
排风扇受力分析
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ形剧场通风设计和分析
黄蜂飞机气动模拟研究
本文研究对象
以VP1304桨作为研究对象,螺旋桨主要几何参
数如下表所示:
直径(m) 桨叶数 盘面比 倾斜角(度) 毂径比
0.25
5
0.799
18.837
0.3
流固耦合相关软件-CFD
CFD系列软件包含三个子软件:CFD-GEOM、CFD-ACE +、CFD-VIEW。 1)CFD-GEOM为CFD软件中的前处理软件,运用该软 件,可以进行物理模型的建立,网格的划分。
2)CFE-ACE+软件是求解软件,主要进行模块的选 择,边界条件的确定,以及求解控制变量的设定等,然 后通过其内部迭代求解控制方程输出计算结果文件。 3)CFD-VIEW主要对求解后的输出文件进行可视化 分析,得到物理场的相关物理量及参数。
意大利黑鲨鱼雷碳纤维螺旋桨
美国 MK54 鱼雷螺旋桨
流固耦合原理
Part 1
基本概念
在力学领域中渗流场与应力场的耦合作用,
又被称之为“流一固耦合作用”。 它研究变形固体在流场作用下的各种行为以 及固体位形对流场影响这二者的相互作用
Part 2
流固耦合控制方程
在流固耦合交界面处应满足流体与固体应力 (τ)、位移(d )、热流量(q)、温度(T )等变量 的相等或守恒,即满足如下4个方程:
复合材料螺旋桨流固耦合
张胜
研究目的及意义
◎ 常规材料螺旋桨的困扰:噪声、腐蚀、疲劳寿命等
◎ 复合材料的优异性能:易成型、易维修、轻质、比
强度大、比刚度高、良好阻尼性能
◎ 由于材料性质的变化,螺旋桨的流固耦合已成为必
须考虑的问题之一
复合材料螺旋桨的应用
德国 206A 潜艇复合材料螺旋桨
德国 212A 潜艇复合材料螺旋桨
本文思路
选择三种不同的材料进行研究,利用CF D系列软件对其流固耦合,比较分析受力变 形。材料属性如下表所示:
材料模型 A B C
3 kg / m 密度( ) 杨氏模量(pa)
7400 2100 1800
1.24E11 2E10 3.53E9
泊松比 0.33 0.18 0.14
材料A为螺旋桨常用材料镍铝青铜;材料B为玻璃纤维,材 料C为树脂纤维
建模和网格划分
利用CFD软件中的前处理软件CFD-GEOM,进行物 理模型的建立,网格的划分。
螺旋桨流固耦合结果分析
桨叶最大变形数值结果
当 n = 900 r/ min和 J = 0.482时,桨叶变形云图
结论
材料属性是影响螺旋桨流固耦合特性的关键性因 素之一,流固耦合对镍铝青铜螺旋桨性能的影响较小, 但对纤维材料螺旋桨的影响不可忽视。 这表明,对纤维材料螺旋桨考虑其流固耦合的影 响有重要工程意义。
Part 3 流固耦合解法
1)直接耦合式解法
通过把流体和固体的控制方程耦合到同一个方程 矩阵中进行求解,即在同一求解器中同时求解流体和固 体的控制方程。
k A X k表示迭代时间步, ff 、 f 和 Bf 分别表示流场的系
统矩阵、未知参数和外部作用力。
2)分离解法
按设定顺序在同一求解器或者不同的求解器中分别 求解流体控制方程和固体控制方程,通过流体和固体的 交界面(FS Interface)把流体域和固体域的计算结果互 相交换传递。待达到收敛标准,进行下一时刻的计算, 依次求得最终结果。
THE END