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原文传递带压浪板的高速舰船快速性研究及节能机理分析

论文题名：	带压浪板的高速舰船快速性研究及节能机理分析
关键词：	军事舰艇;快速性;压浪板;螺旋桨;诱导激振力特性
摘要：	快速性是船舶诸多性能中非常重要的性能之一，对于军事舰艇而言，舰船的快速性是评价其作战能力的重要指标。在船型固定不变的情况下，安装压浪板、尾楔以及阻流板等附体是实现降低船舶阻力、提高舰船最大航速的简捷途径。先前对于压浪板等尾部附体的研究多是基于船舶阻力试验进行，由于无法深入获得舰船周围绕流场信息，目前对于压浪板的减阻原因、节能机理缺乏统一、系统的阐述，对安装压浪板后的螺旋桨诱导激振力特性缺乏清晰的认知。　　本论文主要是基于重叠网格、滑移网格技术实现船体的二自由度运动（Z方向移动和绕Y轴旋转）以及真实的螺旋桨旋转，最终实现船舶-螺旋桨-舵-压浪板的一体化耦合求解，结合拖曳水池阻力试验、PIV流场试验，对船模绕流场实现全方位的捕捉，并最终达到阐述压浪板的减阻机理、节能机理以及螺旋桨诱导激振力特性的影响机理等目标。主要内容如下: 　　对船舶阻力及流场特性研究中所用到的湍流模型、离散格式、自由液面捕获方式以及网格划分等问题进行介绍。数值求解基于DFBI六自由度运动模块和重叠网格技术进行，旨在准确预报压浪板对舰船运动姿态的影响。分别基于标准k-ε、SST k-ω以及DES等湍流模型对船模绕流场进行求解，并将得到的计算结果与船舶阻力、航行姿态、自由液面波形以及伴流场等试验数据进行对比，寻找适合的湍流模型;调整网格的基准尺寸，以同一网格拓扑形式生成三套不同数量的网格，并对特定工况下的舰船阻力、纵倾、升沉进行求解分析，完成网格的无关性验证;并对安装典型压浪板船舶水动力性能及流场特性进行了对比分析，自此得到了一套合适的安装压浪板的船舶阻力及流场特性计算策略。　　利用重叠网格技术进行了压浪板与船体之间的作用机理研究。将展长、弦长和下反角度作为变量，进行压浪板的变参数研究。压浪板对船模水动力性能的影响主要从船模阻力、纵倾、升沉、自由液面波形、尾流场、速度场以及压浪板周围压力场的变化进行研究。其中，还基于三因次船模阻力换算方法、美国海军经验公式等方法预报了压浪板实船减阻效果，通过与海试结果的对比分析，阐述各种压浪板性能预报方法的优缺点。船体对压浪板的影响从其所受的阻力与升力出发进行研究，并通过调整安装压浪板船舶的姿态，探讨了姿态变化在压浪板减阻中的作用。　　基于船模水池阻力试验，进行了压浪板对船模阻力及姿态的影响分析，与数值模拟协同验证，并通过分析方尾船尾流场的变化进一步解释船模阻力变化机理。利用SPIV设备进行了压浪板对船模尾部流场的影响研究，在验证测试结果准确性的基础上，对压浪板安装前后的不同航速、不同截面位置处的速度场进行分析，总结压浪板对船尾流场的影响程度及规律。　　基于滑移网格技术进行了P4508桨的敞水性能计算，分析验证了螺旋桨敞水性能、涡量场以及压力分布特征。在此基础上，先后进行了船-桨-舵、船-桨-舵-压浪板耦合状态下的自航数值研究。通过对比自航点转速、实船有效功率，验证了数值自航计算的准确性，将螺旋桨对船体各阻力成分、船体表面压力分布、自由液面波形以及船模伴流场的影响进行了分析描述。还进行了压浪板安装前后伴流分数、推力减额、船身效率、推进效率以及实桨收到功率的变化分析，并从船体阻力成分、自由液面波形、伴流场以及船体表面压力的变化剖析船舶推进性能变化的原因，归结了压浪板的节能机理。　　为了确定压浪板影响螺旋桨诱导激振力特性的机理，在船-桨-舵-压浪板数值自航的基础上，进行了安装压浪板前后的螺旋桨诱导激振力特性数值预报研究。从螺旋桨诱导船表脉动压力、螺旋桨诱导非定常轴承力以及非定常舵力等三方面去剖析压浪板安装带来的影响。并通过定量改变螺旋桨的转速来分析伴流变化和转速降低两种因素在压浪板影响螺旋桨诱导激振力特性中的贡献程度，总结压浪板的减振机理。
作者：	孙聪
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	王超
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2020