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原文传递风帆优化及助航船舶阻力特性的研究

论文题名：	风帆优化及助航船舶阻力特性的研究
关键词：	风帆助航船;船型开发;风帆优化;阻力性能;几何攻角
摘要：	近年来，石油资源价格低廉，但其储藏量有限且不可再生。无限制的开采与使用，对于经济能源的可持续发展极为不利。因此新船型的开发必须向低耗油的方向发展，并应同时减小对环境产生的不利影响。国际海事组织（IMO）、欧盟（EU）等，对船舶排放废气的监管越发严格。在这种大背景下，“绿色船舶”的理念应运而生，其核心便是实现节能减排。利用风帆来辅助船舶航行，是新能源应用于船舶运输中的典型方式。但现有的研究大多是针对帆型优化展开的，而对风帆助航船阻力特性的研究相对较少。因此本文以风帆助航船的阻力预报为研究背景，利用数值模拟软件STAR-CCM+，对风帆船在不同风向角、不同漂角下的阻力性能进行数值仿真计算。并对模拟结果加以分析，得出不同风向下如何适当调整风帆角度以获得较大的推力，并总结风向、漂角、舵角等对船舶阻力特性的影响。本文的主要研究内容可以概括为以下几点：　　（1）帆型的优化及空气动力特性的研究。首先，选取常规翼型NACA0012为验证翼型，利用软件STAR-CCM+的重叠网格技术对其进行数值仿真计算。将模拟所得的翼型气动特性结果与试验数据进行对比，验证数值模拟方法的可行性。然后选择目标帆型—椭圆弧形风帆，对其外拱拱度比、厚度比、展弦比等参数进行变化并分别模拟计算出不同风向、不同几何攻角下的推力系数，得出不同风向下获得较好助推效果的风帆几何攻角。并对结果进行对比，选择出助推效果较好的帆型参数。　　（2）目标船型（45000t散货船）的阻力预报及CFD方法验证。分别对不同航速下船舶的阻力进行预报，采用 VOF方法捕捉自由液面，并在进出口及左右边界进行阻尼消波。预报过程中分别对不同湍流模型、不同网格数量、不同加密区域下的船舶阻力进行数值仿真计算，并将结果与已有船模试验数据进行对比，验证模拟软件的可行性及网格、条件设置的可靠性。　　（3）风帆助航船在直航（漂角为零）及不同漂角下阻力特性的研究。在针对直航状态下不同风向的阻力预报时，分别对布置两帆及四帆两种情况进行模拟，比较分析风帆之间的相互干扰，并得出风帆助航船在不同风向角下的助航效率及变化规律。之后对固定风向下，不同漂角时风帆助航船的阻力性能进行研究，并与经验公式阻力增值进行对比，总结出风帆助航船阻力性能随漂角的变化规律。　　（4）舵角对风帆助航船阻力特性的影响分析。主要通过舵角的调整以消除风帆使船舶产生的漂角，达到直航的效果。分别对不同风向下，不同舵角时的阻力性能进行预报，分析舵的受力及其对船舶产生的影响，然后对不同风向和不同舵角下的船舶阻力及旋转力矩进行分析计算，进而找出对应风向下旋转力矩为零（即漂角为零）时所对应的舵角，并展开了不同风向时对应舵角影响下的阻力性能分析。
作者：	李季
专业：	船舶与海洋工程
导师：	李冬琴
授予学位：	硕士
授予学位单位：	江苏科技大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文