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基于CFD的极地邮轮舵叶数值仿真与翼型优化
| 论文题名： | 基于CFD的极地邮轮舵叶数值仿真与翼型优化 |
| 关键词： | 极地邮轮;舵叶选型;翼型优化;水动力性能;粒子群算法 |
| 摘要： | 近年来极地旅游快速发展使得极地邮轮的需求增加，但是恶劣的环境对其设计建造、极地航行以及环境保护等方面提出严苛要求。极地邮轮作为开发极地旅游资源的主要工具，对舒适性、安全性以及破冰能力要求较高，目前只有挪威、芬兰以及俄罗斯等国家掌握设计建造技术。中国在此方面尚处于起步阶段，我国第一条具有自主知识产权的极地邮轮在2017年成功下水，开辟了国产极地邮轮的先河。舵作为极地邮轮甲板机械中的关键设备之一，是实现船舶操纵性的主要设备，舵叶转动时实现船舶回转，置于零位时保持航向稳定。小型邮轮在极地地区航行时由于浮冰和环境影响，主要以操纵性为主，航向稳定性为辅，其次还需要考虑浮冰对舵叶强度的影响，选型需考虑多种因素。本文主要研究内容如下： （1）调研国内外极地船舶保有量现状，总结各船级社冰级划分和公约规范对极地船舶要求，综合考量邮轮航行环境条件和设备兼容性，结合船厂舵设备选型要求探索选型原则，明确极地邮轮舵叶设备选型的关键点，确定以操纵性为主、稳定性为辅的选型策略。 （2）基于CFD技术对三种舵叶翼型进行水动力数值仿真，通过模型构建、流场设计、网格划分以及Fluent仿真得到升力系数和压力系数，结合不同舵角下的速度矢量图和压力云图，以仿真结果、选型原则以及实船算例为依据选用NACA0020为基础翼型。 （3）基于CST及Hicks-Henne参数化方法对NACA0020翼型进行参数化表达，针对Hicks-Henne方法尾缘连续性较差问题，通过添加型函数提高舵叶尾缘拟合效果。基于不同Bernstein多项式阶数的CST方法对NACA0020翼型进行拟合，结果证明在2到8阶范围内阶数与拟合精度成正比。以拟合效果和控制参数数量为依据对比CST方法和改进Hicks-Henne方法，选用6阶Bernstein多项式的CST方法进行翼型参数化表达。 （4）采用粒子群算法以升阻比及压力系数为优化目标，对参数化翼型进行水动力性能优化。基于单目标粒子群算法对升阻比进行优化，基于多目标粒子群算法对升阻比和压力系数进行优化。优化结果表明相对于CFD数值仿真，两种算法均达到提高升阻比和降低压力系数的优化目标，证明粒子群算法优化舵叶水动力性能具有可行性，为舵叶设计选型提供理论参考。 |
| 作者： | 耿国祥 |
| 专业： | 类型轮机工程 |
| 导师： | 胡义 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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