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原文传递船-桨-舵全耦合流场的数值预报及节能装置设计

论文题名：	船-桨-舵全耦合流场的数值预报及节能装置设计
关键词：	船-桨-舵全耦合流场;数值预报;节能装置;计算流体力学;船舶设计
摘要：	为了获取良好的船-桨-舵匹配以及船体的外形结构，在船舶的设计研究过程中，船体、螺旋桨及舵之间的相互干扰问题很早就被船舶研究和设计人员所关注。但由于船-桨-舵组合模型关于干扰水动力性能问题的复杂性，在早期的计算流体力学（CFD）方法中，很少涉及到船-桨-舵完整的组合模型，如今，随着CFD方法的不断改进和计算机性能的大幅提高，船舶水动力性能的数值求解方法有了进一步的发展，使船舶及其附体整体水动力性能的预报变为可能。通过研究船-桨-舵耦合流场特性，分析船舶、螺旋桨和舵之间的相互干扰作用，对于船型优化以及节能装置的设计有着非常重要的指导意义。　　为了研究船体、螺旋桨、舵及节能附体之间的匹配性和相互干扰作用，本文以标准船型 KCS船、KP505螺旋桨和 NACA0018舵为研究对象，采用 CFD商业软件FINE/Marine作为计算求解器，采用滑移网格技术，研究了包括裸船体、船-桨组合系统、船-桨-舵组合系统、敞水螺旋桨、桨-舵组合系统、桨-舵-舵球组合系统、船-桨-舵-舵球完整组合系统的水动力性能和流体动力性能。论文的具体工作与主要研究成果如下：　　(1)较为全面地回顾和总结了国内外有关船-桨-舵全耦合运动及船艉附加节能附体的发展状况与研究意义，整体把握船-桨-舵干扰水动力性能的研究方法及节能附体的设计优化方法，进一步明确了本文的研究内容与创新点。　　(2)系统介绍了计算流体力学的数值计算方法，船-桨-舵干扰特性的基本原理及舵球的节能机理。　　(3)运用FINE/Marine软件，对粘性流场中的裸船体、船-桨系统、船-桨-舵系统进行计及自由液面的非定常干扰数值模拟。计算得出裸船体的阻力，船-桨及船-桨-舵系统在螺旋桨转速分别为9.1r/s-9.9r/s共8个工况下的阻力值。计算结果表明：船与船-桨系统的阻力计算结果与实验结果吻合良好，相对误差均在5％以内，并得出与实验结果相匹配的螺旋桨转速。同时，通过对船-桨-舵的整体求解，讨论螺旋桨及舵对船体尾流场的影响，得出船尾部的速度与压力分布，对于船舶实际流场的预报具有较大的指导意义。　　(4)运用 FINE/Marine软件分别开展单个螺旋桨及桨-舵组合系统的水动力性能计算。计算结果表明裸桨的预报结果与实验值吻合良好，在进速系数为0.1~0.8时，相对误差均在5%以内，且在低进速下，桨-舵系统总效率较裸桨效率有所提高，最高提高1.27%，在高进速下，桨-舵系统总效率降低较大，最大降低6.36%。　　(5)运用FINE/Marine软件，在桨-舵系统的基础上，对舵球节能装置进行了外观设计，并对桨-舵-舵球组合系统进行一系列计算，通过改变翼型舵球的几何参数，讨论研究舵球外形尺寸对桨-舵系统节能效果的影响。计算结果表明，当翼型舵球剖面相对厚度比为0.28，且最大直径与螺旋桨的直径之比为0.16时，节能效果最佳，最佳节能效果可达到1.62%。通过对桨-舵系统与桨-舵-舵球系统的尾流场进行比较分析，为舵球的实际工程应用提供了重要的理论依据。　　(6)将桨-舵-舵球系统中计算得到的最佳翼型舵球尺寸，应用到船-桨-舵系统中，组成船-桨-舵-舵球系统，通过计算得出该最佳尺寸的舵球，在船-桨-舵系统在设计航速下的节能效果为2.06%，约为桨-舵-舵球系统平均节能效果的两倍左右，验证了该舵球在螺旋桨转速为9.75r/s，船速为2.1968m/s时的节能效果。
作者：	庄丽帆
专业：	船舶与海洋工程
导师：	王志东
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文