一體化節(jié)能推進(jìn)裝置的構(gòu)型設(shè)計(jì)及水動(dòng)力性能預(yù)報(bào).pdf

1、一體化節(jié)能推進(jìn)裝置是一種新型的節(jié)能推進(jìn)裝置，該裝置通過優(yōu)化槳舵間的水動(dòng)力干擾以達(dá)到節(jié)能目的。方向舵的前緣被設(shè)計(jì)成扭曲狀，并通過一個(gè)前端削平的舵球?qū)⒍媾c槳轂連接起來，舵球隨舵一起轉(zhuǎn)動(dòng)，后端采用襟翼舵形式，通過襟翼的小角度擺動(dòng)便可實(shí)現(xiàn)船體的轉(zhuǎn)向。一體化節(jié)能推進(jìn)裝置通過對(duì)舵的合理改裝即可提高船舶推進(jìn)系統(tǒng)水動(dòng)力及空泡性能，同時(shí)保證了船舶操縱性需求，是一種集經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性于一體的新興節(jié)能推進(jìn)系統(tǒng)。本論文應(yīng)用勢(shì)流理論面元法對(duì)一體化節(jié)能推進(jìn)裝置進(jìn)行了

2、設(shè)計(jì)，研究了舵球幾何參數(shù)對(duì)一體化節(jié)能推進(jìn)裝置的影響，探討了扭曲舵設(shè)計(jì)目的對(duì)其設(shè)計(jì)方法及水動(dòng)力性能的影響，并分別討論了基于勢(shì)流理論與粘流理論設(shè)計(jì)的扭曲舵形狀上的差異，根據(jù)襟翼舵尾弦比及轉(zhuǎn)角比對(duì)舵?zhèn)认蛄Φ挠绊懺O(shè)計(jì)了襟翼大小及形狀，并開展了一系列一體化節(jié)能推進(jìn)裝置的非定常水動(dòng)力性能數(shù)值計(jì)算方法研究，最后結(jié)合粘流CFD技術(shù)對(duì)一體化節(jié)能推進(jìn)裝置的推進(jìn)及空泡性能進(jìn)行了計(jì)算。
　　 為研究舵球?qū)嫦到y(tǒng)水動(dòng)力性能的影響，用面元法計(jì)算了螺旋槳-

3、舵-舵球系統(tǒng)的推進(jìn)性能，并編制了相應(yīng)的FORTRAN程序。通過迭代計(jì)算考慮螺旋槳與舵及舵球之間的相互干擾，螺旋槳與舵之間的誘導(dǎo)速度在面元處進(jìn)行周向平均，將非定常問題轉(zhuǎn)化為定常問題。首先用該程序計(jì)算了槳舵系統(tǒng)水動(dòng)力性能，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值吻合良好。然后對(duì)舵球幾何參數(shù)進(jìn)行了變尺度計(jì)算，結(jié)果表明舵球直徑與螺旋槳直徑存在最佳匹配值，使得螺旋槳效率最大，舵球長(zhǎng)度存在臨界值，當(dāng)舵球長(zhǎng)度小于臨界值時(shí)螺旋槳節(jié)能效果增加顯著，對(duì)于本文計(jì)算的模型而言，添加舵

4、球后節(jié)能效果最佳可達(dá)3.23％。
　　 由于螺旋槳在舵不同展向位置處產(chǎn)生的誘導(dǎo)速度的大小和方向不同，因此設(shè)計(jì)了增大附加推力和減小空泡的扭曲舵，并針對(duì)設(shè)計(jì)方法的缺陷提出了改進(jìn)的方法，將改進(jìn)后的扭曲舵與原型舵進(jìn)行比較，結(jié)果表明增大附加推力的扭曲舵水動(dòng)力性能提高1%-2%，減小空泡的扭曲舵表面壓力分布均勻，空泡性能改善；同時(shí)針對(duì)勢(shì)流理論計(jì)算位于轂渦區(qū)場(chǎng)點(diǎn)誘導(dǎo)速度準(zhǔn)確性的問題進(jìn)行了討論，并與基于粘性流體的誘導(dǎo)速度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較，認(rèn)為

5、兩種方法計(jì)算的結(jié)果在槳葉后方范圍內(nèi)一致，只是在槳轂后方有較大差別，如果槳轂后方加裝舵球，二種計(jì)算結(jié)果造成扭轉(zhuǎn)角度的差別可以不予考慮。
　　 為研究襟翼舵對(duì)一體化節(jié)能推進(jìn)裝置的操縱性的影響，首先討論了尾弦比及襟翼擺角對(duì)舵水動(dòng)力性能的影響，并根據(jù)不同尾弦比襟翼舵升阻力曲線進(jìn)行選型，然后研究了槳后定轉(zhuǎn)角比型襟翼舵及定轉(zhuǎn)舵比型襟翼舵水動(dòng)力性能。計(jì)算結(jié)果表明，槳后襟翼舵較敞水效率高，對(duì)于定轉(zhuǎn)角比的襟翼舵而言，螺旋槳載荷越大，襟翼舵舵效越好

6、；對(duì)于定轉(zhuǎn)舵比襟翼舵而言，轉(zhuǎn)舵比對(duì)法向力系數(shù)作用明顯，轉(zhuǎn)舵比越大，襟翼舵法向力系數(shù)斜率提高越明顯，對(duì)于尾弦比0.2的襟翼舵而言，當(dāng)轉(zhuǎn)舵比達(dá)到3/4時(shí)，法向力系數(shù)斜率提高能達(dá)80%。
　　 基于勢(shì)流理論，提出了一種求解一體化節(jié)能推進(jìn)裝置非定常水動(dòng)力性能的新方法。首先研究了流場(chǎng)中含2個(gè)升力體的面元法理論，建立了相應(yīng)的數(shù)值計(jì)算模型，模型中螺旋槳和舵同時(shí)求解，二者間的相互干擾通過時(shí)域內(nèi)影響系數(shù)的變化進(jìn)行考慮。計(jì)算時(shí)，以定常計(jì)算結(jié)果作為非

7、定常計(jì)算的初始值，考慮了非定常求解時(shí)泄出渦的時(shí)間效應(yīng)。然后計(jì)算了均勻流及非均勻流中一體化節(jié)能推進(jìn)裝置非定常水動(dòng)力性能。將均勻流中計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)值進(jìn)行了比較，結(jié)果表明，計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值吻合良好，計(jì)算方法具有良好的精度，可以有效地預(yù)測(cè)一體化節(jié)能推進(jìn)裝置的非定常水動(dòng)力性能，螺旋槳旋轉(zhuǎn)1周，推力及轉(zhuǎn)矩周期與槳葉數(shù)相同，非定常力以1倍葉頻為主。舵受力出現(xiàn)較大的振蕩。
　　 為分析粘性力對(duì)一體化節(jié)能推進(jìn)裝置的影響，采用FLUENT軟件計(jì)算了一

8、體化節(jié)能推進(jìn)裝置的水動(dòng)力及空泡性能，計(jì)算域全場(chǎng)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，在螺旋槳葉根、葉梢、導(dǎo)邊、隨邊及舵周圍的網(wǎng)格進(jìn)行加密以盡量捕捉到流場(chǎng)的細(xì)節(jié)，結(jié)合多參考系模型和滑移網(wǎng)格技術(shù)，計(jì)算了均勻來流中一體化節(jié)能推進(jìn)裝置的水動(dòng)力性能及流場(chǎng)特性，比較了一體化節(jié)能推進(jìn)裝置與普通槳舵系統(tǒng)物面壓強(qiáng)分布情況，同時(shí)分析了一體化節(jié)能推進(jìn)裝置尾流場(chǎng)速度分布情況及尾流場(chǎng)中能量耗散情況，計(jì)算結(jié)果表明：一體化節(jié)能推進(jìn)裝置減小了流場(chǎng)的湍動(dòng)能，改善了舵表面壓力分布，使得整個(gè)系統(tǒng)

9、較普通槳舵系統(tǒng)推進(jìn)效率提高5%～8%，同時(shí)，在對(duì)一體化節(jié)能推進(jìn)裝置的空泡預(yù)報(bào)時(shí)，采用全空泡模型模擬了二維水翼及三維螺旋槳的定?？张菪阅?，并通過與試驗(yàn)值的對(duì)比驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的可靠性，結(jié)果表明，該模型在預(yù)報(bào)空泡發(fā)生位置較好，在空泡潰滅位置存在一定的誤差，螺旋槳表面片狀空泡分布厚度較均勻，葉梢位置空泡厚度增大，存在梢渦瀉出。最后預(yù)報(bào)了一體化節(jié)能推進(jìn)裝置舵的空泡性能，并與普通舵空泡性能進(jìn)行了比較。在相同進(jìn)速、相同空泡數(shù)時(shí)，一體化節(jié)能推進(jìn)裝置舵較