详情

原文传递浸没式喷水推进内河运输船舶推进性能研究

论文题名：	浸没式喷水推进内河运输船舶推进性能研究
关键词：	内河运输船舶;浸没式喷水推进;参数化设计;水动力性能
摘要：	长江经济带的快速发展促进了内河货运需求的迅速增长,推动着内河运输船舶向大型化方向发展.船舶吨位的不断增大意味着需要更大直径的螺旋桨来提供足够的推力.但由于内河航道水深的限制,船舶吃水有限,难以为大直径螺旋桨提供足够的艉部空间,这在一定程度上限制了内河运输船舶向大型化发展. 　　与传统的螺旋桨推进方式相比,喷水推进具有更大的功率密度,同等直径条件下可吸收更大的推进功率,具备为大型内河运输船舶提供足够推力的潜在优势,并避免推进器浅水中触底搁浅的风险.此外,喷水推进器旋转的叶轮被导管包围,既能减小环境对推进器的影响,还能有效降低高速旋转的推进器对水下环境的干扰以及对水中生物的伤害.因此,本论文以探索浸没式喷水推进技术在内河运输船舶上的应用为目的,开展了浸没式喷水推进内河运输船舶的船型参数化设计、阻力性能优化、船泵相互作用特性以及推进性能评估等研究工作. 　　本文首先以某双桨内河运输船为母型船,结合中低速内河运输船的艉部型线特点,通过多条纵向和横向特征参数曲线,构建了船艉整体形状,研究了浸没式喷水推进船舶的船艉整体构型方法;根据浸没式喷水推进器的结构及水动力性能特点,定义了槽道长度、宽度等参数,研究了浸没式喷水推进器进流槽道的构型方法;在此基础上构建了船艉型线、推进器进流槽道以及船艉型线与推进器进流槽道之间的参数化拓扑方式,建立了浸没式喷水推进内河运输船舶参数化设计方法,为后续的船型优化提供便捷的船型构建手段. 　　然后,本文针对浸没式喷水推进内河运输船舶参数化船型,采用CFD数值计算手段,基于RANS方法、有限体积方法和动网格技术,在模型尺度下开展了船体阻力性能优化研究.针对艉封板浸入水线面深度、流道长度等主要船型参数,本文采取单参数变化的方式,开展了船型参数对阻力性能的影响程度研究;根据阻力性能对各参数的敏感程度,缩小参数的数量和范围,基于粘性流理论,采用SHERPA算法针对船体阻力性能开展了船型优化;得到了一型满足浸没式喷水推进要求、阻力性能优良的船型.阻力优化后,设计航速下船模阻力下降11.2%. 　　针对阻力优化后的船型,本文采用CFD数值计算方法,在模型尺度下,从船体与推进器配合方式、船体线型以及推进器导管长度三方面分别研究了浸没式喷水推进内河运输船舶自航推进性能以及船泵之间的相互作用特性.根据船泵相互作用机理,本文开展了船模自航推进性能的优化改进方案研究,得到了一型阻力与推进性能优良的船型.设计工况下,改进方案船型的船模自航推进效率提高5.7%,推进器收到功率降低了4.6%.基于最终改进后的船型,在考虑内河航道尺寸的情况下,本文开展了浅水效应对浸没式喷水推进内河运输船阻力与推进性能的影响程度研究,分析了浅水对该船型船泵相互作用特性的影响.在设计工况下,与无限水深相比,对应实船航道水深9m时,船模自航推进效率下降1.31%,该船型的浅水效应较小. 　　为了评估浸没式喷水推进内河运输船舶的推进性能相比螺旋桨推进的优势,本文从无限水深下的自航推进性能、浅水工况下的裸船阻力与自航推进性能、无限水深下的自航船模艉流场压力脉动等三方面,对浸没式喷水推进内河运输船与螺旋桨母型船的船模水动力特性进行了对比分析.对应实船航速6kn至14kn的无限水深工况下,浸没式喷水推进船的船模推进效率比高于螺旋桨母型船,但由于其船体与推进器流场的强相互作用,船模的船身效率较低.在对应实船航速12kn、航道水深9m的浅水工况下,浸没式喷水推进船与螺旋桨船的船模推进效率相比无限水深工况分别下降1.31%和3.92%,浸没式喷水推进船的浅水效应更小.与螺旋桨船相比,对应实船航速12kn的工况时浸没式喷水推进船模的推进器轴向脉动力频谱峰值更高,但艉流更均匀、流场压力脉动更小.结合实船快速性理论预报方法,本文开展了浸没式喷水推进内河运输船舶的实船推进性能预报.与两型现有内河运输船舶相比,在主机功率与海军系数等方面,浸没式喷水推进内河运输船舶的推进性能有所提高. 　　通过上述研究工作,本文建立了适用于浸没式喷水推进器安装的参数化船型构建方法,分析了船型参数对阻力性能的影响程度,探索了浸没式喷水推进船舶的船泵相互作用特性.基于此,本文提出了一种高效率、浅水型的中低速浸没式喷水推进内河运输船舶方案,可为喷水推进器的应用拓展和内河运输船舶推进方式的发展提供新思路和新途径方面的参考.
作者：	吕宁
专业：	船舶与海洋工程
导师：	丁江明
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021