【摘要】：江海直達方式是長江水路運輸?shù)陌l(fā)展方向，大型化則是近年來運輸船舶船型的發(fā)展趨勢，而國家長江航道“十二五”建設的實施，將為江海直達船進一步大型化提供航道基礎；同時中國船級社也適當放寬了原有規(guī)范對江海船舶主尺度的限制。在上述江海船營運環(huán)境發(fā)生改變的前提下，航運企業(yè)為降低營運成本、提高市場競爭力，對新一代江海直達船舶提出了市場需求；同時“節(jié)能減排”政策也對船舶性能的技術水平提出了更高要求。在該背景下，工信部高技術船舶科研專項“江海直達多用途船換代開發(fā)”項目綜合各學科的船舶性能，進行了江海直達船換代船型的開發(fā)，本論文為該項目船型快速性能研究的一部分。論文首先通過KCS標準船型的模型試驗結果驗證了所采用的水面船舶快速性預報的數(shù)值方法，隨后通過數(shù)值計算與模型試驗方法相結合的手段進行了江海直達換代船型的改進以及節(jié)能附體開發(fā)研究，并對淺水中與實尺度江海船流場的數(shù)值模擬進行了探討。 在船舶快速性數(shù)值預報方法的研究中，論文提出了根據(jù)螺旋槳推力與扭矩分布并結合船后伴流分布特征來構建螺旋槳力源模型的方法，以普遍用作進行算法驗證的KCS船型與KP505螺旋槳為對象進行了螺旋槳敞水、船槳流場的數(shù)值模擬并預報其快速性能；根據(jù)試驗結果對論文中船舶快速性數(shù)值計算方法的驗證表明，該方法在預報精度方面滿足工程應用的要求；同時論文方法的計算周期也較RANS-BEM力源模型方法有所降低，一定程度上調(diào)和了計算精度與計算成本的矛盾。 試驗方法方面，對江海直達船（雙尾鰭船型）的快速性預報分別進行了螺旋槳內(nèi)、外旋（實船采用外旋）的自航試驗，以便在推進效率中分離出預旋效率以考察槳前來流預旋對其自航性能的影響；與常規(guī)的單旋向自航試驗與分析方法對比，論文采用的自航試驗與自航因子分析方法在船舶快速性預報方面理論上更合理，可為實船適配槳的設計提供更準確的設計輸入?yún)?shù)。 在江海直達換代船型開發(fā)方面，論文所研究船型的長寬比、方形系數(shù)等參數(shù)突破了目前在營江海直達船舶的常規(guī)范圍，為較新的江海直達船型，同時部分主尺度參數(shù)也增加了船型快速性能改進的難度。論文綜合計算流體力學與試驗流體力學的手段，通過不同的船舶改型思路，分別對項目船舶首尾部進行了改型并有效地提高了船舶的快速性能。與設計原型相比，提高其快速性約9.6%；與現(xiàn)有的江海直達船舶相比，盡管論文船型的方形系數(shù)較高且長寬比較小，從快速性角度論文船型較目前快速性最優(yōu)的江海直達船高7.6%，從船舶能效指數(shù)（單位功率排水量航速）角度論文船型的優(yōu)勢更大。 由于長江航道存在的限制水深問題，論文通過數(shù)值模擬手段進行了淺水對項目船舶阻力與航態(tài)影響的研究，所得的部分結論可為確定項目船舶安全營運的限制條件提供依據(jù)；論文還計及自由面對實尺度江海船舶粘性流場進行了數(shù)值模擬的探討性研究，數(shù)值計算結果在船舶阻力以及部分流場細節(jié)方面反映了部分尺度效應的影響。 在節(jié)能附體開發(fā)方面，論文綜合了前置補償導管與預旋定子的節(jié)能手段，提出前置導管與預旋定子組合型式的節(jié)能附體。通過對水池試驗結果的分析表明，該節(jié)能附體型式實現(xiàn)了對槳前來流進行均流與預旋的設計預期并獲得了一定的節(jié)能效果；同時也改善了螺旋槳的工作環(huán)境，避免或緩解了伴流不均勻?qū)е碌拇w振動與螺旋槳空泡等現(xiàn)象。
【學位授予單位】：武漢理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2014
【分類號】：U661.31
【圖文】：

長江航航道武漢航航段不同月份份水深圖（（單位：米）

在 KP505 螺旋槳敞水流場計算中,計算域軸向槳前取 3 倍螺旋槳直徑后取 5 倍螺旋槳直徑，徑向取 4 倍螺旋槳直徑。計算離散網(wǎng)格形式采體網(wǎng)格與四面體網(wǎng)格的混合網(wǎng)格。敞水計算的流場計算域與網(wǎng)格分布見圖 2-2，其中槳葉與槳轂附近的尺寸函數(shù)進行加密處理。

圖2-2 KP505 螺旋槳敞水計算域與離散網(wǎng)格**網(wǎng)格模型為 KP505-USG1；模型編號說明參見下文“研究內(nèi)容”部分的介紹。螺旋槳敞水流場計算中采用了 SRF 方法，其中旋轉坐標系的轉速以螺旋槳轉速給定；螺旋槳葉與槳轂相對旋轉參考系的速度為零；入口邊界條件采用速度入口，即給定遠前方未擾動流場的速度；出口邊界的邊界條件采用壓力出口，即給定遠后方未擾動流場的壓力；外側邊界的邊界條件采用滑移物面，其軸向滑移速度為來流速度；周向速度為旋轉參考系的速度，且無流體穿過該邊界。2.2.2 研究內(nèi)容本部分的研究中分別針對不同網(wǎng)格密度以及不同進速系數(shù)的螺旋槳進行了敞水流場的數(shù)值模擬；考察了網(wǎng)格密度對敞水性征與螺旋槳流場計算的影響，同時基于 ITTC 規(guī)程進行了數(shù)值模擬的不確定度分析；考察了不同負荷條件下螺旋槳流場并與試驗測量數(shù)據(jù)進行了比較。采用的三重系列網(wǎng)格尺度比例取為 2 ，即網(wǎng)格尺寸比例為USGUSG

【參考文獻】

相關期刊論文 前10條

1 許輝,鄒早建;小水線面雙體船粘性流數(shù)值模擬[J];船舶工程;2004年02期

2 何德明,李遠林;船舶前置導管流態(tài)的數(shù)值計算與分析[J];船舶工程;2004年04期

3 黃廣茂;;L/B參數(shù)對雙槳大長寬比超肥大船型阻力性能的影響[J];船舶工程;2011年06期

4 劉應中,張懷新,李誼樂,繆國平;21世紀的船舶性能計算和RANS方程[J];船舶力學;2001年05期

5 張志榮,趙峰,李百齊;k-ω湍流模式在船舶粘性流場計算中的應用[J];船舶力學;2003年01期

6 張志榮,李百齊,趙峰;螺旋槳/船體粘性流場的整體數(shù)值求解[J];船舶力學;2004年05期

7 楊仁友,沈泓萃,姚惠之;帶前置導葉槳潛艇自航試驗的數(shù)值模擬與自航因子預報[J];船舶力學;2005年02期

8 馬騁,錢正芳,張旭,杜度;螺旋槳—舵—舵球推進組合體水動力性能的計算與仿真研究[J];船舶力學;2005年05期

9 張楠;沈泓萃;姚惠之;;阻力和流場的CFD不確定度分析探討[J];船舶力學;2008年02期

10 趙峰;李勝忠;楊磊;劉卉;;基于CFD的船型優(yōu)化設計研究進展綜述[J];船舶力學;2010年07期

相關博士學位論文 前3條

1 沈海龍;船體與節(jié)能附體及螺旋槳的非定常干擾研究[D];哈爾濱工程大學;2009年

2 李勝忠;基于SBD技術的船舶水動力構型優(yōu)化設計研究[D];中國艦船研究院;2012年

3 何苗;一體化節(jié)能推進裝置的構型設計及水動力性能預報[D];哈爾濱工程大學;2012年

本文編號：2756806