第一章  緒   論

1.1  研究目的與意義
自 20 世紀(jì) 80 年代，我國(guó)一直致力發(fā)展海洋裝備現(xiàn)代化，漁船裝備機(jī)械化大幅度提升，然而由于海洋捕撈漁船基數(shù)大，船-機(jī)-槳匹配不合理現(xiàn)在依舊普遍存在（有關(guān)部門數(shù)據(jù)表明[1-2]，不匹配率高達(dá) 40%）。船-機(jī)-槳匹配不合理現(xiàn)象不僅會(huì)影響漁業(yè)船舶作業(yè)時(shí)的工作效率，增加單位產(chǎn)量的能量消耗，還會(huì)制約現(xiàn)在漁業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展，甚至有時(shí)還會(huì)對(duì)漁業(yè)從業(yè)者的人生安全帶來(lái)?yè)p害。 近年隨著國(guó)家在各行業(yè)和領(lǐng)域號(hào)召節(jié)能減排，漁船節(jié)能技術(shù)研究也越受重視，器關(guān)注的焦點(diǎn)主要在動(dòng)力機(jī)械與漁船整船性能方面[3]：動(dòng)力機(jī)械方面，主要研究措施是通過(guò)改善漁船柴油機(jī)的主機(jī)效率，降低單位功率的燃油量；二、漁船整船性能方面，主要包括船型優(yōu)化，提高漁船推進(jìn)裝置推進(jìn)效率，漁船船體、螺旋槳推進(jìn)裝置、方向舵三者的間的優(yōu)化匹[4-6]配三方面。 船型性能優(yōu)化則主要通過(guò)優(yōu)化船體型線，減少漁船航行過(guò)程中產(chǎn)生的阻力，但船型型線優(yōu)化經(jīng)常受到其他方面因素的制約，例如漁船本身特點(diǎn)以及例如作業(yè)方式、經(jīng)濟(jì)效益等因素。 漁船船體、螺旋槳推進(jìn)裝置、方向舵三者間的匹配優(yōu)化，首先需對(duì)漁船船體與螺旋槳推進(jìn)裝置以及方向舵三者間的干擾特性進(jìn)行研究，根據(jù)研究得到的干擾機(jī)理進(jìn)一步針對(duì)性的分別對(duì)漁船船體、或者螺旋槳開展優(yōu)化工作，以優(yōu)化兩者的匹配效果作為最終的目標(biāo)，顯然開展該項(xiàng)研究通常需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究。 顯然，提高螺旋槳推進(jìn)效率方面的研究則主要集中在低轉(zhuǎn)速槳與非常規(guī)高效槳兩個(gè)方向。改造船用螺旋槳提高推進(jìn)效率是目前見(jiàn)效最快的途徑，目前部分拖網(wǎng)漁船開始嘗試使用導(dǎo)管螺旋槳替換普通槳。 螺旋槳因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，安裝方便等特點(diǎn)是目前最為常見(jiàn)的漁船推進(jìn)裝置，相比而言導(dǎo)管螺旋槳較為特殊，運(yùn)行過(guò)程中承受較大載荷工況下依然能夠保持較高的推進(jìn)效率。它的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)即是在常規(guī)使用的螺旋槳外側(cè)另外加裝圓形套筒，常見(jiàn)的縱剖面形狀有機(jī)翼型或者折角線型，該套筒結(jié)構(gòu)則稱之為導(dǎo)管[7]。加裝導(dǎo)管不僅對(duì)能提高螺旋槳前方來(lái)流的穩(wěn)定性，同時(shí)還對(duì)船尾型線變化帶來(lái)的流場(chǎng)進(jìn)行整流，進(jìn)而改善漁船航行過(guò)程的穩(wěn)定性。除此之外，導(dǎo)管能有效隔絕外界流場(chǎng)對(duì)導(dǎo)管內(nèi)部螺旋槳的影響，降低外流場(chǎng)波動(dòng)對(duì)于螺旋槳轉(zhuǎn)矩的影響。不僅如此，由于導(dǎo)管包圍的作用，，螺旋槳背有效的與外界隔開，避免外物的吸入觸碰槳葉導(dǎo)致槳葉受損。目前，如拖船、港口頂推船、海洋漁船采用導(dǎo)管槳為其推進(jìn)裝置，同時(shí)其表現(xiàn)出受外界航行海況影響小、航向穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，部分商用船也開始加大導(dǎo)管槳的應(yīng)用。 
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1.2  導(dǎo)管螺旋槳國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
相比普通常規(guī)螺旋槳，導(dǎo)管槳的研究工作起步稍晚，約在 1930 年前后�？铺兀↘ort）首先于 1934 年對(duì)外發(fā)表關(guān)于導(dǎo)管螺旋槳方面的專利說(shuō)明，不過(guò)那時(shí)德國(guó)方面已經(jīng)對(duì)對(duì)導(dǎo)管槳進(jìn)行較為廣泛的研究。伴隨各界對(duì)于螺旋槳的深入研究，導(dǎo)管螺旋槳的研究也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。在導(dǎo)管槳研究的初始階段，Caster[8]、Morgan[9]和 Dyne[10]等在研究導(dǎo)管槳時(shí)將螺旋槳槳葉以鼓動(dòng)盤簡(jiǎn)化，導(dǎo)管則運(yùn)用均勻分布圓周上的一列的奇點(diǎn)來(lái)表示導(dǎo)管的載荷和厚度，同時(shí)來(lái)流運(yùn)動(dòng)也被簡(jiǎn)化為軸對(duì)稱問(wèn)題，這種方法實(shí)質(zhì)是將導(dǎo)管進(jìn)行線性化處理。Gibson 和 Lewis[11]、Glover 和 Ryan[12]等則是在上述分析假設(shè)基礎(chǔ)上將導(dǎo)管的奇點(diǎn)系布置于實(shí)際導(dǎo)管外表面，進(jìn)行深入研究。Van Houlton[13]考慮導(dǎo)管和槳葉幾何形狀，采用實(shí)際的導(dǎo)管和螺旋槳槳葉進(jìn)行研究分析，同時(shí)分析時(shí)采用非對(duì)稱流動(dòng)替代前人研究時(shí)采用的對(duì)稱流。 1981 年 Yussa[14]利用升力面法分別采用直接干擾和間接干擾兩種模型對(duì)導(dǎo)管槳的水動(dòng)力性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，得出的結(jié)論是直接干擾方法能有效節(jié)省時(shí)間，但計(jì)算精度較間接計(jì)算有一定差距。Valarezo[15]在其研究中運(yùn)用基于速度勢(shì)的低階面元法來(lái)同時(shí)求解螺旋槳和導(dǎo)管。日本的 Kawakita[16]求解導(dǎo)管和螺旋槳時(shí)，運(yùn)用雙曲四邊形面元，同時(shí)在涉及導(dǎo)管螺旋槳部分分析首次引入一種尾渦模型。 美國(guó)麻省理工的 Kinas、Ker  win、J.T.Lee 等[17]在 1987 年對(duì)外發(fā)布導(dǎo)管螺旋槳研究方面的成果，他們采用面元法對(duì)導(dǎo)管螺旋槳水動(dòng)力性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，螺旋槳與導(dǎo)管間的干擾采用迭代方法去逼近，導(dǎo)管分析方面則是基于速度勢(shì)的低階面元法進(jìn)行處理，螺旋槳?jiǎng)t是選用渦格升力面法求解。同時(shí)它們提到普遍試用航空方面的 Morino 條件會(huì)造成螺旋槳分析的誤差，對(duì)此需要將隨邊上、下表面進(jìn)行等壓處理來(lái)滿足 Kutta 條件，計(jì)算結(jié)果獲得較高的計(jì)算精度。此法即隨后較廣泛應(yīng)用的等壓 Kutta 條件。 
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第二章  CFD 數(shù)值模擬的基本理論 

船用螺旋槳水動(dòng)力性能的研究方法除了實(shí)驗(yàn)研究方法外，還有升力線、升力面、面元法和 CFD 數(shù)值模擬方法進(jìn)行研究。升力線理論是將槳葉用一根從葉根到葉梢的升力線來(lái)替代表示，用二位翼型剖面的水動(dòng)力性能的疊加，得到推力和扭矩。升力面理論依據(jù)薄翼理論建立，該方法在分析槳葉剖面壓力分布時(shí)會(huì)出現(xiàn)一定誤差，導(dǎo)邊附近壓力分布誤差最大。面元法是實(shí)際是一種奇點(diǎn)分布法，分析時(shí)各個(gè)奇點(diǎn)被布置在槳葉物面以及尾渦面位置，然后對(duì)獲得控制方程求解邊界值，以此獲得螺旋槳的水動(dòng)力性能。 隨著 CFD 方法發(fā)展，求解 RNS 方程的商業(yè)軟件相繼出現(xiàn)并不斷完善，CFD計(jì)算和分析功能越來(lái)越強(qiáng)大，已可以應(yīng)用求解工程中的各類復(fù)雜問(wèn)題。由于 CFD不僅能為分析者提供的詳實(shí)的計(jì)算結(jié)果和流場(chǎng)特征分布圖，還擁有較高的計(jì)算精度，目前在各個(gè)行業(yè)的實(shí)際工程應(yīng)用頗受歡迎。就船舶行業(yè)而言，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本較大，單一試驗(yàn)尚可接受，進(jìn)行批次化分析則大大受限。目前，CFD 技術(shù)已能較好的對(duì)船體航行性能、船體橫搖性能、以及螺旋槳水動(dòng)力性能等進(jìn)行預(yù)報(bào)。因此，本章節(jié)簡(jiǎn)要闡述的 CFD 數(shù)值模擬的基本原理。

2.1  流體力學(xué)控制方程 
對(duì)于流體而言，無(wú)論其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)如何在宏觀上，其表現(xiàn)出滿足三大物理守恒定律。當(dāng)然部分包含多種流體的混合流動(dòng)則還需考慮組分守恒定律。假設(shè)流場(chǎng)內(nèi)流體所做的運(yùn)動(dòng)形式為湍流運(yùn)動(dòng)，那么在分析這個(gè)流場(chǎng)時(shí)還要考慮湍流運(yùn)輸方程。 對(duì)于存在熱交換的流體系統(tǒng)分析時(shí)還需要考慮能量守恒定律，該定律實(shí)質(zhì)是熱力學(xué)第一定律在流體模型的推導(dǎo)。
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2.2  常用湍流模型介紹 
根據(jù)雷諾數(shù)的大小可將流動(dòng)的流體分為層流運(yùn)動(dòng)和湍流運(yùn)動(dòng)，湍流運(yùn)動(dòng)由于其運(yùn)動(dòng)的不規(guī)則、無(wú)序性使得目前湍流的一些基本問(wèn)題依舊未得到解決，因此目前在數(shù)值分析時(shí)也沒(méi)有一種湍流模型供各類工程問(wèn)題選用。因此，在分析涉及湍流的工程問(wèn)題時(shí)，首先根據(jù)各種湍流模型的適應(yīng)范圍，同時(shí)考慮計(jì)算代價(jià)，選取合適的湍流模型，以便在較短時(shí)間內(nèi)得到可接受的精度的計(jì)算結(jié)果。實(shí)際工程應(yīng)用中 RNG k 、 Realizable k 以及 SST k-ω 這三種湍流模型運(yùn)用最為廣泛。 
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第三章  普通槳水動(dòng)力性能數(shù)值研究 ........ 18 
3.1  槳模主要參數(shù)及型值轉(zhuǎn)換公式 ....... 18 
3.2  螺旋槳幾何建模 .... 21 
3.3  計(jì)算域設(shè)置 ............ 22 
3.4 網(wǎng)格劃分及計(jì)算設(shè)置 ...... 22 
3.5 數(shù)值模擬計(jì)算的依賴性驗(yàn)證 ............ 24 
3.5.1  出口邊界位置對(duì)于計(jì)算的影響 ......... 24 
3.5.2  湍流模型對(duì)于計(jì)算的影響 ........ 25 
3.6 數(shù)值計(jì)算結(jié)果及分析 ...... 25 
3.7  本章小結(jié) ....... 29 
第四章  導(dǎo)管槳水動(dòng)力性能研究 ....... 30 
4.1  導(dǎo)管槳試驗(yàn)研究 .... 30 
4.2 導(dǎo)管槳數(shù)值研究 ..... 34
4.4 本章小結(jié) ........ 41 
第五章  導(dǎo)管幾何參數(shù)水動(dòng)力性能分析 .... 42 
5.1  導(dǎo)管葉梢間隙分析 ......... 42 
5.2  導(dǎo)管長(zhǎng)徑比分析 .... 44 
5.3  收縮系數(shù)分析 ........ 46 
5.4  伸張系數(shù)分析 ........ 48 
5.5  導(dǎo)管螺旋槳參數(shù)優(yōu)選 ..... 49 
5.6  本章小結(jié) ....... 49 

第五章  導(dǎo)管幾何參數(shù)水動(dòng)力性能分析

導(dǎo)管槳的設(shè)計(jì)通常以螺旋槳作為定量，調(diào)整外導(dǎo)管的幾何參數(shù)實(shí)現(xiàn)優(yōu)化導(dǎo)管槳的整體水動(dòng)力性能，因此本章的參照此理對(duì)利用數(shù)值分析法對(duì)導(dǎo)管的葉梢間隙、伸張系數(shù)、長(zhǎng)徑比等幾方面的參數(shù)特性分析各個(gè)參數(shù)對(duì)整個(gè)導(dǎo)管推進(jìn)裝置的影響規(guī)律。隨后根據(jù)所得各個(gè)參數(shù)的影響特性優(yōu)選導(dǎo)管各項(xiàng)參數(shù)，計(jì)算優(yōu)選后的導(dǎo)管槳水動(dòng)力性能，并與原始導(dǎo)管槳推進(jìn)性能進(jìn)行比較。 

5.1  導(dǎo)管葉梢間隙分析 保持導(dǎo)管幾何形狀不變，縮放導(dǎo)管尺寸即可實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)導(dǎo)管葉梢間隙大小。原始導(dǎo)管模型槳葉梢間隙為 1mm，在此基礎(chǔ)上增加導(dǎo)管直徑，螺旋槳?jiǎng)t采用相同直徑，進(jìn)而使得兩者之間的間隙為 2mm 和 3mm。由表 5-1 的數(shù)據(jù)結(jié)果可以得到，進(jìn)速系數(shù)取在 0.1 至 0.5 之間時(shí)，葉梢間隙為 1mm所得的推力系數(shù)大于其他兩種間隙；當(dāng)進(jìn)速系數(shù)取在 0.166 時(shí)，1mm 間隙所得推力系數(shù)較比 2mm 間隙狀態(tài)數(shù)值大約 3.98%；但是當(dāng)進(jìn)速系數(shù)大于 0.663 時(shí)，1mm 間隙推進(jìn)效果反而不及 2mm 間隙。對(duì)于螺旋槳扭矩而言，間隙 1mm 時(shí)扭矩依舊大于其他兩種間隙，該差值基本保持穩(wěn)定狀態(tài)，最大情況時(shí)比 2 毫米間隙條件大 8.6%左右。由上可知，導(dǎo)管螺旋槳的整體性能隨導(dǎo)管與螺旋槳之間的間隙增大而降低，故導(dǎo)管槳設(shè)計(jì)制造過(guò)程中滿足制造工藝和安裝要求的情況下，葉梢間隙選取應(yīng)盡量小，保證導(dǎo)管槳的推進(jìn)性能。 

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總結(jié) 

隨著漁業(yè)船舶的不斷發(fā)展，漁船裝備與技術(shù)的革新受各界的重視與關(guān)注，本文以典型性代表的拖網(wǎng)捕撈漁船作為切入點(diǎn)，運(yùn)用試驗(yàn)研究與數(shù)值模擬方法分析其目前較為普遍的推進(jìn)裝置的水動(dòng)力性能。在對(duì)研究對(duì)象的學(xué)習(xí)分析以及論文的整體撰寫過(guò)程中，個(gè)人完成下述的研究成果： 1）運(yùn)用 CFD 軟件對(duì)普通螺旋槳水動(dòng)力性能進(jìn)行預(yù)報(bào)，主要包括根據(jù)螺旋槳二維型值建立三維模型、整體計(jì)算域設(shè)置、螺旋槳網(wǎng)格劃分、邊界條件設(shè)置、湍流模型選取以及求解參數(shù)等數(shù)值分析計(jì)算流程。通過(guò)分析比較數(shù)值預(yù)報(bào)結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果，表明數(shù)值分析方法適用于螺旋槳水動(dòng)力性能分析。 2）以實(shí)際拖網(wǎng)漁船導(dǎo)管槳作為分析對(duì)象，運(yùn)用試驗(yàn)研究方法與數(shù)值分析方法相結(jié)合驗(yàn)證導(dǎo)管槳的水動(dòng)力性能特性，結(jié)果表明導(dǎo)管槳表現(xiàn)出的重載工況推進(jìn)效率高的特點(diǎn)對(duì)于類似拖網(wǎng)漁船的存在較多重載工況作業(yè)需求的船舶。 3）通過(guò)對(duì)導(dǎo)管各項(xiàng)參數(shù)的分析，表明導(dǎo)管間隙越小導(dǎo)管槳推進(jìn)效率越高，長(zhǎng)徑比和收縮系數(shù)對(duì)于導(dǎo)管槳的性能影響不大，而伸張系數(shù)的影響較其他幾項(xiàng)系數(shù)更為明顯，伸張系數(shù)過(guò)大反而為降低螺旋槳的推進(jìn)效率。 4）根據(jù)各項(xiàng)參數(shù)的影響程度，優(yōu)化導(dǎo)管的幾何形狀，優(yōu)化后的導(dǎo)管槳各個(gè)進(jìn)速系數(shù)下的推進(jìn)效率都有提升，對(duì)于拖網(wǎng)漁船常用的進(jìn)速系數(shù)范圍內(nèi)，推進(jìn)效率提升約 3%，提升效果較為滿意。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號(hào)：234643