【摘要】：提高能量轉(zhuǎn)化效率對于現(xiàn)今運輸行業(yè)來說是一個剛需。從這方面來說,船舶推進器在海洋運輸中扮演了一個非常關(guān)鍵的角色,因為它是決定船舶總體推進效率關(guān)鍵單元,提升船舶推進器的推進效率是減少燃油消耗和CO_2排放的良好途徑。在提升船舶推進效率的途徑中,船舶附加水動力節(jié)能裝置以安裝方便、不影響總布置、節(jié)能效果好、回收成本快等優(yōu)勢,深受廣大船東喜愛。但是因為水池模型試驗存在尺度效應(yīng),現(xiàn)今并沒有一個很好的換算方法能準確預(yù)報帶有節(jié)能裝置的船舶快速性,所以其真實節(jié)能效果也被船東所懷疑。本文對兩種典型的節(jié)能裝置(導(dǎo)流鰭和舵附推力鰭)進行船舶快速性能研究,采用雷諾相似理論,獲得實船雷諾數(shù)下的節(jié)能裝置真實節(jié)能效果,同時采用試驗方法和數(shù)值模擬分析了3個不同尺度的帶有節(jié)能裝置的船舶模型的快速性能,通過不同的換算方法分析節(jié)能裝置的尺度效應(yīng)問題,并比較了各種換算方法預(yù)報結(jié)果的差異。本文主要工作如下:對試驗?zāi)Ｐ�、試驗工況、試驗過程和試驗設(shè)備進行了說明;對數(shù)值計算所采用的理論方法進行簡單描述,介紹了計算模型,通過分析計算得到的阻力、螺旋槳推力和扭矩以及輸出的波形和流場圖驗證了本文所采用普通數(shù)值計算模型的正確性。通過推導(dǎo)快速性試驗的相似理論獲得本文所采用的數(shù)值計算換算方法(實船雷諾數(shù)數(shù)值計算);對兩種常見的船舶快速性換算方法,以及MARIC方法進行了詳細闡述;同時通過分析ITTC1978年方法的假定與涉及尺度效應(yīng)的物理參數(shù),獲得本文所采用的換算方法。通過改變流體的運動粘性系數(shù),使得模型和實船具有相同的雷諾數(shù),這樣的情況下模型是沒有尺度效應(yīng)的。對實船雷諾數(shù)數(shù)值計算進行了詳細驗證,分析了不同尺度下模型的阻力、流場等精細參數(shù),證明了實船雷諾數(shù)數(shù)值計算適用于模型阻力和自航試驗?zāi)M。然后采用實船雷諾數(shù)模擬對裸船體、帶有導(dǎo)流鰭以及帶有舵附推力鰭的船體進行了阻力和自航模擬,通過流場等物理量分析了這些節(jié)能裝置的節(jié)能機理,并得到了節(jié)能裝置的實船節(jié)能效果:本文的導(dǎo)流鰭節(jié)能效果在5.45%左右,舵附推力鰭節(jié)能效果在1.81%左右。進行了3個不同尺度的模型試驗,包括模型阻力試驗,螺旋槳敞水試驗以及模型自航試驗,同時在這些試驗船體模型上加裝了船舶水動力節(jié)能裝置:導(dǎo)流鰭和舵附推力鰭。同時進行了精細流場測量試驗,獲得帶與不帶節(jié)能裝置的船體和螺旋槳的精細流場,分析節(jié)能裝置的節(jié)能機理,同時通過試驗結(jié)果分析尺度效應(yīng)產(chǎn)生的原因,并采取3種不同換算方法對結(jié)果進行換算,結(jié)果表明本文提出的換算方法能有效的減小預(yù)報結(jié)果的尺度效應(yīng)。介紹了波浪中船舶快速性預(yù)報方法,進行了3個不同尺度波浪中帶有節(jié)能裝置的船舶快速性試驗,分別分析了導(dǎo)流鰭和舵附推力鰭在波浪中的節(jié)能效果;同時進行了帶有組合節(jié)能裝置的靜水中和波浪中的船舶快速性試驗,分析了組合節(jié)能裝置在靜水中的節(jié)能機理和節(jié)能效果,并嘗試將本文提出的方法應(yīng)用于波浪中帶有節(jié)能裝置的船舶快速性預(yù)報中。結(jié)果表明本文提出的方法能一定程度的減小波浪中帶有節(jié)能裝置的船舶快速性預(yù)報的尺度效應(yīng)。
【圖文】：

圖 1.1 導(dǎo)流鰭Fig 1.1 Pre-Swirl Stator不必要的能量損失，Kim 等[45]為某一 160K LNG 船設(shè)計了不對了兩種形式的導(dǎo)流鰭：橫截剖面一致的（CPAS）和橫截剖面變化的（（勢流理論和粘流計算）以及模型試驗，選取了節(jié)能效果更好的方法采用了兩種方式，ITTC1978 方法和 ITTC1999 方法，這兩種不一樣的，ITTC1978 得到的結(jié)果為：CPAS 為 3.08%，VPAS 為到的結(jié)果為：CPAS 為 5.96，VPAS 為 8.13%。結(jié)果也在一定程度在。鰭研究始見于 80 年代末上海船舶設(shè)計院[46]，應(yīng)廣州海運局要求散貨船設(shè)計了導(dǎo)流鰭，試驗研究表明導(dǎo)流鰭可以取得 2.74%-4.55%段 708 所進行了節(jié)能裝置研發(fā)[47]，其中就包括槳前整流鰭，其形

凌乃俊[51]等首先確定導(dǎo)流鰭各個葉片的設(shè)計環(huán)量，然后通過比較完善的升力線理論來對導(dǎo)流鰭進行設(shè)計，一共設(shè)置了 6 種總設(shè)計環(huán)量加權(quán)因子，當加權(quán)因子大于 0.77 時，葉片開始產(chǎn)生阻力，小于 0.77 時阻力變化并不明顯，最終采用加權(quán)因子為 0.77，此時節(jié)能效果為 2.64%，而試驗時的結(jié)果比設(shè)計時還要好，，達到 4.54%。1.2.2 舵附推力鰭國內(nèi)外研究進展舵附推力鰭（Thrust Fin）是安裝在舵中間的一對水平翼（鰭片）組成，水平翼各有一定的迎流角，見圖 1.2，主要節(jié)能原理是：1、產(chǎn)生附加推力；2、可以使螺旋槳周向繞流減少，相當于回收尾流中因旋轉(zhuǎn)而損失的能量[52-58]。1983 年日本 IHI 株式會社（石川島播磨重工業(yè)株式會社）首先研制出舵附推力鰭[59;60]，第一個舵附推力鰭被安裝在一艘 238400DWT 油輪上，之前進行了理論計算與模型試驗，這些研究用來確定最佳的安裝位置與尺寸。為了保證舵附推力鰭的強度，在靜水中和波浪中都進行了精心地測試，研究了波浪載荷與影響力，通過受迫振蕩試驗以及耐波性試驗確定了波浪載荷。安裝在實船上的最終節(jié)能效果可達 4%-5%。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：U664.1

【參考文獻】

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本文編號：2615262