详情

原文传递一体化节能推进装置的构型设计及水动力性能预报

论文题名：	一体化节能推进装置的构型设计及水动力性能预报
关键词：	一体化节能推进装置;舵球;扭曲舵;襟翼舵;粘性流场
摘要：	一体化节能推进装置是一种新型的节能推进装置，该装置通过优化桨舵间的水动力干扰以达到节能目的。方向舵的前缘被设计成扭曲状，并通过一个前端削平的舵球将舵与桨毂连接起来，舵球随舵一起转动，后端采用襟翼舵形式，通过襟翼的小角度摆动便可实现船体的转向。一体化节能推进装置通过对舵的合理改装即可提高船舶推进系统水动力及空泡性能，同时保证了船舶操纵性需求，是一种集经济性与实用性于一体的新兴节能推进系统。本论文应用势流理论面元法对一体化节能推进装置进行了设计，研究了舵球几何参数对一体化节能推进装置的影响，探讨了扭曲舵设计目的对其设计方法及水动力性能的影响，并分别讨论了基于势流理论与粘流理论设计的扭曲舵形状上的差异，根据襟翼舵尾弦比及转角比对舵侧向力的影响设计了襟翼大小及形状，并开展了一系列一体化节能推进装置的非定常水动力性能数值计算方法研究，最后结合粘流CFD技术对一体化节能推进装置的推进及空泡性能进行了计算。　　为研究舵球对桨舵系统水动力性能的影响，用面元法计算了螺旋桨-舵-舵球系统的推进性能，并编制了相应的FORTRAN程序。通过迭代计算考虑螺旋桨与舵及舵球之间的相互干扰，螺旋桨与舵之间的诱导速度在面元处进行周向平均，将非定常问题转化为定常问题。首先用该程序计算了桨舵系统水动力性能，计算结果与试验值吻合良好。然后对舵球几何参数进行了变尺度计算，结果表明舵球直径与螺旋桨直径存在最佳匹配值，使得螺旋桨效率最大，舵球长度存在临界值，当舵球长度小于临界值时螺旋桨节能效果增加显著，对于本文计算的模型而言，添加舵球后节能效果最佳可达3.23％。　　由于螺旋桨在舵不同展向位置处产生的诱导速度的大小和方向不同，因此设计了增大附加推力和减小空泡的扭曲舵，并针对设计方法的缺陷提出了改进的方法，将改进后的扭曲舵与原型舵进行比较，结果表明增大附加推力的扭曲舵水动力性能提高1%-2%，减小空泡的扭曲舵表面压力分布均匀，空泡性能改善；同时针对势流理论计算位于毂涡区场点诱导速度准确性的问题进行了讨论，并与基于粘性流体的诱导速度计算结果进行了比较，认为两种方法计算的结果在桨叶后方范围内一致，只是在桨毂后方有较大差别，如果桨毂后方加装舵球，二种计算结果造成扭转角度的差别可以不予考虑。　　为研究襟翼舵对一体化节能推进装置的操纵性的影响，首先讨论了尾弦比及襟翼摆角对舵水动力性能的影响，并根据不同尾弦比襟翼舵升阻力曲线进行选型，然后研究了桨后定转角比型襟翼舵及定转舵比型襟翼舵水动力性能。计算结果表明，桨后襟翼舵较敞水效率高，对于定转角比的襟翼舵而言，螺旋桨载荷越大，襟翼舵舵效越好；对于定转舵比襟翼舵而言，转舵比对法向力系数作用明显，转舵比越大，襟翼舵法向力系数斜率提高越明显，对于尾弦比0.2的襟翼舵而言，当转舵比达到3/4时，法向力系数斜率提高能达80%。　　基于势流理论，提出了一种求解一体化节能推进装置非定常水动力性能的新方法。首先研究了流场中含2个升力体的面元法理论，建立了相应的数值计算模型，模型中螺旋桨和舵同时求解，二者间的相互干扰通过时域内影响系数的变化进行考虑。计算时，以定常计算结果作为非定常计算的初始值，考虑了非定常求解时泄出涡的时间效应。然后计算了均匀流及非均匀流中一体化节能推进装置非定常水动力性能。将均匀流中计算结果与实验值进行了比较，结果表明，计算值与实验值吻合良好，计算方法具有良好的精度，可以有效地预测一体化节能推进装置的非定常水动力性能，螺旋桨旋转1周，推力及转矩周期与桨叶数相同，非定常力以1倍叶频为主。舵受力出现较大的振荡。　　为分析粘性力对一体化节能推进装置的影响，采用FLUENT软件计算了一体化节能推进装置的水动力及空泡性能，计算域全场采用结构化网格，在螺旋桨叶根、叶梢、导边、随边及舵周围的网格进行加密以尽量捕捉到流场的细节，结合多参考系模型和滑移网格技术，计算了均匀来流中一体化节能推进装置的水动力性能及流场特性，比较了一体化节能推进装置与普通桨舵系统物面压强分布情况，同时分析了一体化节能推进装置尾流场速度分布情况及尾流场中能量耗散情况，计算结果表明：一体化节能推进装置减小了流场的湍动能，改善了舵表面压力分布，使得整个系统较普通桨舵系统推进效率提高5%～8%，同时，在对一体化节能推进装置的空泡预报时，采用全空泡模型模拟了二维水翼及三维螺旋桨的定常空泡性能，并通过与试验值的对比验证了计算结果的可靠性，结果表明，该模型在预报空泡发生位置较好，在空泡溃灭位置存在一定的误差，螺旋桨表面片状空泡分布厚度较均匀，叶梢位置空泡厚度增大，存在梢涡泻出。最后预报了一体化节能推进装置舵的空泡性能，并与普通舵空泡性能进行了比较。在相同进速、相同空泡数时，一体化节能推进装置舵较普通舵表面的压力分布更加均匀，并且空泡面积较小，舵的空泡性能得到了较大改善。
作者：	何苗
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	黄胜
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文