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原文传递混合吊舱式CRP系统理论设计及其性能研究

论文题名：	混合吊舱式CRP系统理论设计及其性能研究
关键词：	混合吊舱式CRP系统;面元法;脉动压力;噪声特性
摘要：	作为一种新型节能推进系统，混合吊舱式 CRP系统为实现船舶建设绿色化提供了一种新的选择。与传统推进器相比，混合吊舱式 CRP系统操纵性能好、推进效率高以及装机功率低。两组相互独立的推进系统提高了冗余性，不需要尾部侧推及操纵舵。前后两组推进系统分散载荷使其作用于船体的激振力低，总体布局灵活性大，优化了原动机的负荷，从而降低了废气排放。随着人们对船用推进器的要求越来越苛刻，推进器的脉动压力和噪声性能也成为人们关注的焦点。本文基于螺旋桨旋涡理论及面元法建立了混合吊舱式CRP系统设计模型，并采用CFD技术对设计的混合吊舱式CRP系统水动力性能及流场进行了计算分析。为了进一步研究混合吊舱式 CRP系统的性能，采用理论方法建立了混合吊舱式 CRP系统脉动压力场和噪声场的预报模型来研究分析其脉动压力性能和噪声特性。　　采用本文编写的FORTRAN程序对DTRC4118桨的非定常水动力性能进行了预报，计算结果与文献结果吻合良好。以某集装箱船为研究对象进行了单桨适伴流设计，设计所需实船实效伴流场通过船模试验及经验公式换算获得。对设计单桨的敞水性能及非定常性能进行了计算并给出了螺旋桨在伴流场中旋转一周过程中的压力分布，由结果可知，桨叶表面压力分布较均匀。　　本文基于螺旋桨旋涡理论和速度势面元法对混合吊舱式 CRP系统进行了综合理论设计，与常规单桨设计采用同一集装箱船。设计内容主要涉及主桨（前桨）和吊舱桨（后桨）的设计，默认吊舱为已知条件。各要素之间的相互影响通过诱导速度来考虑，在设计工况下进行非定常设计，直到满足需要。本文结合研究的船型选取了流线型舱体，与常规舱体相比流场性能得到明显改善。采用本文编写的预报程序对某组已知对转桨的水动力性能进行了计算并对其尾流场进行了分析，计算结果与试验值吻合良好。由非定常水动力性能计算结果可知，设计混合吊舱式 CRP系统前桨推力明显大于后桨，前桨推力波动幅值与设计单桨推力波动幅值接近，而后桨推力脉动幅值明显小于单桨和前桨。在设计工况下，设计混合吊舱式CRP系统与设计单桨相比效率可提高8.533%。　　为了分析粘性力对混合吊舱式CRP系统的水动力性能的影响，采用CFD技术计算了设计混合吊舱式CRP系统的水动力性能。采用 ICEM软件进行几何模型及网格划分并采用 FLUENT软件在模型伴流场中对系统水动力性能进行计算。吊舱、前后桨和计算小域均采用非结构化网格，计算大域采用结构化网格。计算来流仅考虑轴向伴流，忽略横向伴流，系统水动力预报结果与面元法计算值吻合良好。给出了设计混合吊舱式CRP系统前后桨和吊舱表面压力分布以及流场的变化情况。　　建立螺旋桨脉动压力计算模型，采用快速傅里叶变换将压力信号由时域变换到频域内进行分析。计算了两个已知集装箱船螺旋桨对特定场点的脉动压力，计算结果和相应的试验值吻合良好，验证了本文提出计算方法的准确性。采用本文给出的方法对设计的混合吊舱式 CRP系统及相应的设计单桨的空间脉动压力场进行了计算。结果表明，混合吊舱式 CRP系统诱导产生的脉动压力显著小于单桨；在相同的运行工况下，与单桨相比，混合吊舱式 CRP系统可以有效地改善船尾振动并对船尾和桨后附体产生较小的损伤。　　采用基于低阶速度势面元法耦合声类比法对给定的 DTRC4119桨低频离散谱噪声指向性进行计算可知，厚度噪声在螺旋桨旋转面附近对总噪声有显著的影响，在螺旋桨上下游可以忽略厚度噪声对总噪声的贡献。对混合吊舱式 CRP系统在不考虑吊舱声散射效应时的低频离散谱噪声性能进行了计算，通过声叠加原理考虑前后桨之间的噪声作用。对考虑吊舱声散射效应的混合吊舱式 CRP系统噪声进行了计算并给出了在第一个声作用频率下的噪声指向性以及相应的三维噪声场。结果表明，吊舱声散射效应对低频离散谱噪声噪声指向性具有明显的影响，组合推进器上游噪声级略有加强，而下游噪声级明显减弱。
作者：	侯立勋
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	胡安康
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文