本文關(guān)鍵詞：船—槳—舵全耦合流場的數(shù)值預(yù)報及節(jié)能裝置設(shè)計

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【摘要】：為了獲取良好的船-槳-舵匹配以及船體的外形結(jié)構(gòu),在船舶的設(shè)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(shè)計人員所關(guān)注。但由于船-槳-舵組合模型關(guān)于干擾水動力性能問題的復(fù)雜性,在早期的計算流體力學(xué)(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(jìn)和計算機(jī)性能的大幅提高,船舶水動力性能的數(shù)值求解方法有了進(jìn)一步的發(fā)展,使船舶及其附體整體水動力性能的預(yù)報變?yōu)榭赡�。通過研究船-槳-舵耦合流場特性,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(shè)計有著非常重要的指導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(wǎng)格技術(shù),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-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(jié)了國內(nèi)外有關(guān)船-槳-舵全耦合運動及船艉附加節(jié)能附體的發(fā)展?fàn)顩r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(shè)計優(yōu)化方法,進(jìn)一步明確了本文的研究內(nèi)容與創(chuàng)新點。(2)系統(tǒng)介紹了計算流體力學(xué)的數(shù)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(jī)理。(3)運用FINE/Marine軟件,對粘性流場中的裸船體、船-槳系統(tǒng)、船-槳-舵系統(tǒng)進(jìn)行計及自由液面的非定常干擾數(shù)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(zhuǎn)速分別為9.1r/s-9.9r/s共8個工況下的阻力值。計算結(jié)果表明:船與船-槳系統(tǒng)的阻力計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好,相對誤差均在5%以內(nèi),并得出與實驗結(jié)果相匹配的螺旋槳轉(zhuǎn)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(yù)報具有較大的指導(dǎo)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(jié)果表明裸槳的預(yù)報結(jié)果與實驗值吻合良好,在進(jìn)速系數(shù)為0.1~0.8時,相對誤差均在5%以內(nèi),且在低進(jìn)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(jìn)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(chǔ)上,對舵球節(jié)能裝置進(jìn)行了外觀設(shè)計,并對槳-舵-舵球組合系統(tǒng)進(jìn)行一系列計算,通過改變翼型舵球的幾何參數(shù),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(jié)果表明,當(dāng)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(dá)到1.62%。通過對槳-舵系統(tǒng)與槳-舵-舵球系統(tǒng)的尾流場進(jìn)行比較分析,為舵球的實際工程應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。(6)將槳-舵-舵球系統(tǒng)中計算得到的最佳翼型舵球尺寸,應(yīng)用到船-槳-舵系統(tǒng)中,組成船-槳-舵-舵球系統(tǒng),通過計算得出該最佳尺寸的舵球,在船-槳-舵系統(tǒng)在設(shè)計航速下的節(jié)能效果為2.06%,約為槳-舵-舵球系統(tǒng)平均節(jié)能效果的兩倍左右,驗證了該舵球在螺旋槳轉(zhuǎn)速為9.75r/s,船速為2.1968m/s時的節(jié)能效果。
【學(xué)位授予單位】：江蘇科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U662

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