船-槳-舵全耦合流場的數值預報及節(jié)能裝置設計.pdf

1、為了獲取良好的船-槳-舵匹配以及船體的外形結構，在船舶的設計研究過程中，船體、螺旋槳及舵之間的相互干擾問題很早就被船舶研究和設計人員所關注。但由于船-槳-舵組合模型關于干擾水動力性能問題的復雜性，在早期的計算流體力學（CFD）方法中，很少涉及到船-槳-舵完整的組合模型，如今，隨著CFD方法的不斷改進和計算機性能的大幅提高，船舶水動力性能的數值求解方法有了進一步的發(fā)展，使船舶及其附體整體水動力性能的預報變?yōu)榭赡?。通過研究船-槳-舵耦合流場

2、特性，分析船舶、螺旋槳和舵之間的相互干擾作用，對于船型優(yōu)化以及節(jié)能裝置的設計有著非常重要的指導意義。
　　為了研究船體、螺旋槳、舵及節(jié)能附體之間的匹配性和相互干擾作用，本文以標準船型 KCS船、KP505螺旋槳和 NACA0018舵為研究對象，采用 CFD商業(yè)軟件FINE/Marine作為計算求解器，采用滑移網格技術，研究了包括裸船體、船-槳組合系統(tǒng)、船-槳-舵組合系統(tǒng)、敞水螺旋槳、槳-舵組合系統(tǒng)、槳-舵-舵球組合系統(tǒng)、船-槳-舵

3、-舵球完整組合系統(tǒng)的水動力性能和流體動力性能。論文的具體工作與主要研究成果如下：
　　(1)較為全面地回顧和總結了國內外有關船-槳-舵全耦合運動及船艉附加節(jié)能附體的發(fā)展狀況與研究意義，整體把握船-槳-舵干擾水動力性能的研究方法及節(jié)能附體的設計優(yōu)化方法，進一步明確了本文的研究內容與創(chuàng)新點。
　　(2)系統(tǒng)介紹了計算流體力學的數值計算方法，船-槳-舵干擾特性的基本原理及舵球的節(jié)能機理。
　　(3)運用FINE/Marine

4、軟件，對粘性流場中的裸船體、船-槳系統(tǒng)、船-槳-舵系統(tǒng)進行計及自由液面的非定常干擾數值模擬。計算得出裸船體的阻力，船-槳及船-槳-舵系統(tǒng)在螺旋槳轉速分別為9.1r/s-9.9r/s共8個工況下的阻力值。計算結果表明：船與船-槳系統(tǒng)的阻力計算結果與實驗結果吻合良好，相對誤差均在5％以內，并得出與實驗結果相匹配的螺旋槳轉速。同時，通過對船-槳-舵的整體求解，討論螺旋槳及舵對船體尾流場的影響，得出船尾部的速度與壓力分布，對于船舶實際流場的預報

5、具有較大的指導意義。
　　(4)運用 FINE/Marine軟件分別開展單個螺旋槳及槳-舵組合系統(tǒng)的水動力性能計算。計算結果表明裸槳的預報結果與實驗值吻合良好，在進速系數為0.1~0.8時，相對誤差均在5%以內，且在低進速下，槳-舵系統(tǒng)總效率較裸槳效率有所提高，最高提高1.27%，在高進速下，槳-舵系統(tǒng)總效率降低較大，最大降低6.36%。
　　(5)運用FINE/Marine軟件，在槳-舵系統(tǒng)的基礎上，對舵球節(jié)能裝置進行了外

6、觀設計，并對槳-舵-舵球組合系統(tǒng)進行一系列計算，通過改變翼型舵球的幾何參數，討論研究舵球外形尺寸對槳-舵系統(tǒng)節(jié)能效果的影響。計算結果表明，當翼型舵球剖面相對厚度比為0.28，且最大直徑與螺旋槳的直徑之比為0.16時，節(jié)能效果最佳，最佳節(jié)能效果可達到1.62%。通過對槳-舵系統(tǒng)與槳-舵-舵球系統(tǒng)的尾流場進行比較分析，為舵球的實際工程應用提供了重要的理論依據。
　　(6)將槳-舵-舵球系統(tǒng)中計算得到的最佳翼型舵球尺寸，應用到船-槳-舵