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原文传递 L型吊舱推进器水动力性能理论及试验技术研究

论文题名：	L型吊舱推进器水动力性能理论及试验技术研究
关键词：	吊舱推进器;水动力性能;精细流场;非设计工况
摘要：	L型吊舱推进器是近年来由美国 ABB公司研发的新型吊舱推进器，该型吊舱推进器的吊柱与桨叶相距较远，可提高桨叶进流的均匀度、降低桨叶尾流诱导的吊柱脉动力。迄今，国内尚未见对L形吊舱推进器水动力性能研究的相关文献。在吊舱推进器性能预报方法方面，理论方法与试验方法国外都起步较早。尤其在模型试验研究方面，国内与国外相比较落后，相应的测试设备也较为缺乏，基本上都是采用国外的设备进行试验测量，与我国对船舶工业发展的要求及船舶市场的需求极不相称。针对以上问题，本文研究工作主要包括以下几部分：　　（1）以某L型吊舱推进器为原型，仅改变其支架形式使其变为直角型吊舱推进器。使用计算流体力学（CFD）方法，对该L型吊舱推进器和直角型吊舱推进器敞水性能进行了数值研究。对进行 CFD数值仿真过程中涉及到的控制方程、粘性流理论、湍流模型及边界条件的设置进行了介绍，并验证了本文所采用的数值预报方法的可行性；对直航状态下，两种类型吊舱推进器螺旋桨及吊舱单元的水动力系数、桨叶压力、舱体及支架压力、不同截面的流场进行了详细的比较和分析。得出了在该模型参数条件下，L型吊舱推进器水动力性能较普通直角型吊舱推进器在水动力性能方面具有一定优势，支架形式会对吊舱推进器的水动力性能产生一定影响。为本论文后续开展L型吊舱推进器非设计工况下的水动力性能数值预报、敞水试验、精细流场测试及实船性能预报提供理论基础及依据。　　（2）基于RANS方法和滑移网格技术，开展了大舵角斜向来流状态下L型吊舱推进器的非定常水动力性能研究。计算了不同进速系数、不同偏转角度、不同偏转方向情况下的L型吊舱推进器敞水特性。对吊舱推进器螺旋桨及吊舱单元的水动力系数、表面压力、尾流场、尾涡随斜流角及进速系数变化的情况进行了详细对比及分析。通过研究，得到了L型吊舱推进器在斜航过程中的水动力特性变化规律。发现随着斜航角度的增加， L型支架对流场的有益影响会逐渐增强。同时，在设计L型吊舱推进器时，支架前段部位的强度需要着重考虑。　　（3）针对国内目前吊舱推进器试验装置短缺且自主设计能力不成熟的情况，研发了一套L型吊舱推进器敞水动力仪，详细介绍了L型吊舱推进器试验装置设计的关键技术。对利用PIV进行吊舱推进器精细流场测量时的技术难点进行了论述，并针对些技术难点进行了相关的测试方法研究。在船模拖曳水池，对直航、大舵角斜航及动态操舵下的吊舱推进器进行了试验研究，并结合PIV精细流场测量，从宏观的力与力矩和微观的精细流场两个方面，对各工况下L型吊舱推进器的水动力特性进行了详细分析。从作用机理的角度，深入分析了螺旋桨与舱体、支架的相互干扰作用。得到了吊舱推进器在动态操舵过程中及固定斜航角度时，水动力特性的异同及变化规律。　　（4）对装有双L型吊舱推进器船舶模型的自航性能进行了数值预报，并将船后吊舱及螺旋桨的水动力性能与敞水情况下的进行了对比。根据ITTC公开的关于单个吊舱推进器尺度效应修正的方法，结合各船研单位的吊舱试验研究报告，建立了一套双吊舱船舶实船性能的换算方法，并利用该方法对双吊舱实船性能进行了换算，对船舶的推力减额和伴流分数进行了分析。最后，对该船进行了实尺度的自航性能计算，对比了实尺度和模型尺度的流场、压力云图等，分析了尺度效应的影响，并将实尺度计算结果与模型换算结果进行了比较，验证了本文所用的双吊舱推进器船舶实船性能预估方法的可靠性。　　本文的研究成果可为我国 L型吊舱推进器的设计及实船应用提供数据参考及技术支持，具有一定的理论意义和工程实用价值。
作者：	赵大刚
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	苏玉民
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