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原文传递喷水推进器--船体相互作用及其尺度效应研究

论文题名：	喷水推进器--船体相互作用及其尺度效应研究
关键词：	喷水推进器;粒子图像测速;尺度效应;速度分布
摘要：	喷水推进方式在高航速工况下具有更高的推进效率、更好的抗空泡能力及更低的噪声，随着喷水推进器设计制造能力的提升，喷水推进装置逐渐朝着大型化、大功率的方向发展，采用喷水推进方式的船舶也逐渐从高速小型快艇拓展到中高速大型舰船。喷水推进器-船体相互作用(Waterjet-HullInteraction)是研究喷水推进船舶水动力性能的核心问题，一方面，不同的喷水推进器-船体系统的匹配模式会引起船体阻力性能和喷水推进器推进性能产生不同变化，采用四泵推进方式的船舶其相互作用特性更为复杂;另一方面，喷水推进实船吨位的增加意味着船模试验中模型缩尺比更大，喷水推进船模试验并不满足和实船航行的完全相似条件，船模试验中内流场和外流场的雷诺数差异导致其流动特征存在差异，由船舶尺度不同所产生的尺度效应(ScaleEffect)对喷水推进船舶水动力性能预报结果的影响会增加。本文对喷水推进器-船体相互作用及其尺度效应进行了研究，通过“物理模型试验+多尺度数值模拟”的方式对喷水推进船舶宏观力学特性及其背后的流体力学机理进行探讨，系统的分析了喷水推进船舶内流场、外流场及相互作用因子的尺度效应问题。本文的主要工作如下: 　　喷水推进船模自航试验及粒子图像测速(ParticleImageVelocimetry,PIV)试验研究。此部分通过“物理模型试验”开展喷水推进船舶实船航行性能预报，获取模型尺度下喷水推进器-船体相互作用特性宏观力与流场试验结果。提出了船模设计与加工、喷水推进器流量标定与测试、PIV测试系统布置等关键试验技术难点的解决方案，完成了三维水下PIV设备的不确定度分析，对各航速下喷水推进船模阻力、运动姿态特征、推进器流量、自航点、进口获流区速度分布等进行了分析。该部分研究内容为后续开展“多尺度数值模拟”研究提供了可靠的试验数据支撑。　　基于计算流体力学方法的喷水推进船模及实船水动力性能预报研究。此部分开展了“多尺度数值模拟”研究工作，首先，基于全离散模型方法建立了模型尺度下“船体+进水流道+喷泵+减摇鳍”系统数值模型，通过与模型试验结果对比提出了一套数值计算精度高、收敛性好、计算效率高的数值模型建立方案;然后，在此方案上建立实尺度喷水推进船舶数值模型并开展实尺度数值计算，指出了实尺度计算中网格划分、湍流模型参数、船体粗糙度设定及实船自航点确认等关键问题;最后，对模型尺度和实尺度数值计算中宏观力和关键流场模拟结果的不确定度进行验证和确认。该部分研究内容为开展喷水推进器-船体系统流场特性分析、相互作用机理及其尺度效应分析等提供了可靠的数值模拟数据。　　系统的喷水推进船舶内流场、外流场和相互影响因子的尺度效应分析。综合考虑了喷水推进器-船体系统匹配特征和“船体+进水流道+喷泵+减摇鳍”系统中各部分的复杂相互影响，对内流场和外流场的速度分布、压力分布、湍动能分布等进行了多尺度对比分析，对模型尺度和实尺度下进口获流区的动量/动能影响系数和推力减额变化特性展开了详细分析，提出了动量和动能影响尺度修正系数以提高基于模型试验数据外推的实船快速性预报精度。此外，对四泵推进系统中内侧和外侧喷水推进器的水动力性能差异性和流场差异性展开系统分析，深入剖析四泵推进系统推进性能差异性及其尺度效应问题。
作者：	龚杰
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	吴国雄
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020