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原文传递冰块对吊舱推进器水动力性能与载荷的影响研究

论文题名：	冰块对吊舱推进器水动力性能与载荷的影响研究
关键词：	吊舱推进器;水动力性能;冰载荷;重叠网格;近场动力学
摘要：	近年来，随着北极航道的开通以及极地资源的开发，冰区航行船舶的设计和建造得到了更多关注并获得了快速发展。吊舱推进器由于特殊的结构设计，能够大大提高船舶的机动性和操纵性，已成为极地船舶常用的推进形式。由于吊舱推进器与水域周围散布的碎冰发生间接或直接的作用，大大增加了其水动力载荷和冰载荷预报的困难。虽然国内外学者对开阔水域下的吊舱推进器开展了大量研究工作，但是冰水混合介质中吊舱推进器载荷预报分析技术尚未完善。国外学者对于这方面的研究主要还是采用模型试验的方式，而国内尚未开展相关研究。为此，本文采用数值模拟方法与模型试验相结合的方式对冰干扰下吊舱推进器的水动力载荷以及冰-吊舱推进器切削工况和碰撞工况下的冰载荷进行研究。　　首先，本文基于RANS方法，运用重叠网格技术，结合SSTk-ω湍流模型，研究了冰-吊舱推进器不同间距时冰对吊舱推进器水动力性能的影响。重点对不同冰桨间距变化时螺旋桨和吊舱单元的非定常水动力载荷、桨叶和舱体压力、冰-螺旋桨之间、桨盘面处以及螺旋桨和支架之间的流场信息进行详细的分析。计算结果表明:本文采用的重叠网格方法对求解冰-吊舱推进器的干扰问题具有较好的适用性和可靠性;冰桨间距越小，进速系数越大，螺旋桨推力和扭矩的振荡范围越大，冰对吊舱推进器的阻塞影响越明显;螺旋桨桨叶旋转到冰后阻塞区域内时，桨叶叶面和叶背上形成了明显的高压区和低压区，是引起螺旋桨推力和扭矩大幅度增加的主要原因。　　针对冰区航行环境的复杂性以及研究的局限性，开展了冰尺寸参数变化对吊舱推进器水动力性能影响的数值模拟研究，重点分析了不同长度、宽度和厚度的冰块变化时对吊舱推进器水动力性能、流场特征的影响。总结了不同尺寸的冰对吊舱推进器水动力性能的影响规律，探究了吊舱推进器水动力性能产生差异的主要原因。计算结果表明:在冰块尺寸变化过程中，冰块厚度对吊舱推进器水动力性能的影响最为明显。数值模拟的结果为冰-吊舱推进器理论研究、数值模拟以及试验研究过程中冰尺寸参数的选择、耦合研究过程中吊舱推进器水动力性能的设置以及冰区吊舱推进器的设计提供参考。　　考虑到吊舱推进器不同的组成结构以及复杂的几何外形，借助面元法的思想，将吊舱推进器中螺旋桨、支架和舱体离散化为真实的几何模型，基于近场动力学理论，提出了冰-吊舱推进器的接触检测算法。根据吊舱推进器航行工况的复杂性以及结构的多样性，分别提出了吊舱推进器在斜航状态和操舵状态下螺旋桨与冰接触的动态径向和周向判别方法，以及冰与支架、舱体和桨毂接触的区域判别方法，建立了吊舱推进器在直航状态、斜航状态和操舵状态下螺旋桨与冰切削工况的计算模型，以及三种航行状态下冰与螺旋桨、支架、舱体和桨毂碰撞的计算模型，为冰区吊舱推进器冰载荷的预报打下基础。　　根据建立的冰-吊舱推进器切削工况的计算模型，分析了桨叶网格划分数目和冰物质点尺寸对计算结果的影响，确保了计算方法的收敛性，并与实验值进行了对比，验证了数值方法的可行性。在此基础上，研究了吊舱推进器在直航状态、斜航状态以及操舵状态下螺旋桨与冰切削工况时冰载荷的变化，重点对不同模型冰推送速度、切削深度、螺旋桨转速、吊舱推进器斜航角度等参数变化时螺旋桨和吊舱单元受到的冰载荷进行分析，对吊舱推进器操舵状态时冰桨切削过程进行了详细地描述。研究结果表明:随着冰块运动速度的增加，螺旋桨轴向力呈现出了先增加后减小再增加的趋势，螺旋桨和吊舱单元的扭矩则呈现出逐渐增加的趋势;吊舱推进器在斜航状态下与冰切削时，螺旋桨桨叶轴向力、桨叶自身的扭矩以及吊舱单元扭矩的最大值点出现在不同的斜航角度。　　应用本文建立的冰-吊舱推进器碰撞工况的数值计算模型，结合冰-吊舱推进器的碰撞特性，模拟了吊舱推进器在直航状态、斜航状态以及操舵状态下与冰碰撞时冰载荷的变化。重点对吊舱推进器直航状态下不同螺旋桨转速、螺旋桨旋转方向、冰块运动速度以及冰块质量等参数进行了分析。同时，对吊舱推进器斜航状态下的斜航角度以及操舵状态下的操舵速率进行了分析，研究获得了冰、螺旋桨、支架、舱体以及桨毂等因素对吊舱推进器冰载荷的影响规律。计算结果表明:当螺旋桨转速相等时，螺旋桨反向旋转时冰载荷大于正向旋转时的冰载荷;通过对吊舱推进器在直航状态、斜航状态以及操舵状态下冰与支架、舱体和桨毂碰撞工况时冰载荷的分析和对冰破碎现象的观察，验证了本文提出的区域接触判别方法的正确性。　　在哈尔滨工程大学船模拖曳水池搭建了冰桨切削试验平台，对冰-吊舱桨切削过程中的冰载荷进行了测量。首先，针对淡水冰和石蜡模型冰的优缺点进行了分析，选择石蜡模型冰为研究对象，重点研究了不同模型冰推送速度、切削深度、螺旋桨转速以及螺旋桨尺度时冰载荷的变化。通过对试验测量结果的重复性分析，证明了本文设计的冰桨切削试验平台测量数据的可靠性和稳定性。测量结果表明:冰桨切削深度和模型推送速度对螺旋桨的冰载荷影响较大;通过高速摄像机对冰桨切削过程进行了捕捉，证明了桨叶遮蔽效应的存在，为开展水池中螺旋桨和冰切削试验提供了技术支撑。
作者：	徐佩
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	郭春雨
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020