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原文传递桨后固定导轮系统理论设计方法研究

论文题名：	桨后固定导轮系统理论设计方法研究
关键词：	船舶工程;桨后固定导轮系统;旋涡理论;面元法;诱导速度
摘要：	伴随着全球海运业的不断发展以及能源的消耗，船舶能耗问题逐渐受到国内外造船业及航运业的关注。然而螺旋桨推进作为现今船舶最主要的推进方式，其附加节能装置已逐渐成为时下研究的焦点。在螺旋桨后添加固定导轮可有效地回收由螺旋桨旋转运动所引起的能量损失。有关固定导轮的研究主要集中在上世纪八九十年代，由于理论水平的限制，主要以实验研究为主，近些年相关的研究较少。作为螺旋桨主要的节能装置，从理论上对螺旋桨及后置固定导轮展开一体化的系统设计对固定导轮的推广具有深远的实际意义。　　本文采用理论方法对桨后固定导轮系统分别进行了敞水及适伴流设计研究。采用螺旋桨旋涡理论和面元法建立了一套敞水及适伴流桨后固定导轮系统的性能预报及设计程序系统，具体工作内容如下：　　采用以速度势为基础的低阶面元法建立了螺旋桨定常及非定常水动力性能预报模型，并分别编写了预报程序。以ITTC提供的标准桨为研究对象进行了性能预报，结果表明：本文所建立的预报模型可有效地对螺旋桨进行定常及非定常水动力性能预报。　　对螺旋桨旋涡理论作了详细的介绍，并编写了螺旋桨敞水设计程序及适伴流设计程序，为了使设计桨具有较好的空泡性能，本文引入了螺旋桨无入射不产生空泡条件。此外，为了较好地对中载荷螺旋桨进行设计，所编写的程序计入了尾涡收缩的影响。而在进行螺旋桨升力面设计的过程中，在满足桨叶表面法向速度为零的边界条件下，对螺旋桨螺距及拱度进行修正，从而对升力面进行不断调整，直到满足设计要求。为了对本文介绍的设计法进行验证，以DTRC P4381桨在设计工况下的水动力性能为目标参数，进行了重新设计，由设计结果可知，采用本方法可设计出较原型桨更为高效的螺旋桨，且兼顾了空泡性能。　　以螺旋桨的旋涡理论及基于速度势的面元法为基础，建立了桨后固定导轮系统的敞水设计模型。以某散货船为研究对象，进行了桨后固定导轮系统敞水设计，结果表明，设计的桨后固定导轮系统与单桨相比，推力及效率均得到明显提升，就本文所设计的桨后固定导轮系统而言，在设计点处，推力及效率分别提高9.37％和9.88%。通过对所设计的桨后固定导轮系统进行水动力性能分析发现，在低进速条件下，加装固定导轮的节能效果更佳，进速越高，节能效果越差。　　基于面元法建立螺旋桨的实效非定水动力性能预报模型。首先，通过CFD技术精确获取桨紧盘处表观伴流场。通过定常计算与非定常预报耦合，计算螺旋桨在非均匀流场中对其紧前方的诱导速度并取平均值，从而获取与实际情况更相符的诱导速度场，将获取的桨近前方诱导速度与表观伴流场叠加，从而获取实效伴流，再进行诱导速度计算并获取新的实效伴流，循环迭代直至水动力性能收敛。最终可获得精确的实效伴流场。通过该实效伴流场对螺旋桨进行实效非定常水动力性能预报，结果表明，采用通过本方法获得的实效伴流场，可精确地进行螺旋桨的非定常水动力性能预报。　　最后，以KCS船为母型船进行了实桨设计，并对相应的模型桨进行实效非定常水动力性能预报。采用本文提出的方法设计的螺旋桨与KCS船标配桨相比推进效率有所提高。以该设计桨为已知桨，对桨后固定导轮进行设计，设计过程中考虑前桨与后置导轮之间的相互影响。由设计结果可知，加装固定导轮的船后螺旋桨效率得到明显提高。
作者：	侯立勋
专业：	船舶与海洋结构物设计与制造
导师：	黄胜
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文