一體化節(jié)能推進裝置的構型設計及水動力性能預報.pdf

1、一體化節(jié)能推進裝置是一種新型的節(jié)能推進裝置，該裝置通過優(yōu)化槳舵間的水動力干擾以達到節(jié)能目的。方向舵的前緣被設計成扭曲狀，并通過一個前端削平的舵球將舵與槳轂連接起來，舵球隨舵一起轉動，后端采用襟翼舵形式，通過襟翼的小角度擺動便可實現船體的轉向。一體化節(jié)能推進裝置通過對舵的合理改裝即可提高船舶推進系統水動力及空泡性能，同時保證了船舶操縱性需求，是一種集經濟性與實用性于一體的新興節(jié)能推進系統。本論文應用勢流理論面元法對一體化節(jié)能推進裝置進行了

2、設計，研究了舵球幾何參數對一體化節(jié)能推進裝置的影響，探討了扭曲舵設計目的對其設計方法及水動力性能的影響，并分別討論了基于勢流理論與粘流理論設計的扭曲舵形狀上的差異，根據襟翼舵尾弦比及轉角比對舵?zhèn)认蛄Φ挠绊懺O計了襟翼大小及形狀，并開展了一系列一體化節(jié)能推進裝置的非定常水動力性能數值計算方法研究，最后結合粘流CFD技術對一體化節(jié)能推進裝置的推進及空泡性能進行了計算。
　　 為研究舵球對槳舵系統水動力性能的影響，用面元法計算了螺旋槳-

3、舵-舵球系統的推進性能，并編制了相應的FORTRAN程序。通過迭代計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速度在面元處進行周向平均，將非定常問題轉化為定常問題。首先用該程序計算了槳舵系統水動力性能，計算結果與試驗值吻合良好。然后對舵球幾何參數進行了變尺度計算，結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，舵球長度存在臨界值，當舵球長度小于臨界值時螺旋槳節(jié)能效果增加顯著，對于本文計算的模型而言，添加舵

4、球后節(jié)能效果最佳可達3.23％。
　　 由于螺旋槳在舵不同展向位置處產生的誘導速度的大小和方向不同，因此設計了增大附加推力和減小空泡的扭曲舵，并針對設計方法的缺陷提出了改進的方法，將改進后的扭曲舵與原型舵進行比較，結果表明增大附加推力的扭曲舵水動力性能提高1%-2%，減小空泡的扭曲舵表面壓力分布均勻，空泡性能改善；同時針對勢流理論計算位于轂渦區(qū)場點誘導速度準確性的問題進行了討論，并與基于粘性流體的誘導速度計算結果進行了比較，認為

5、兩種方法計算的結果在槳葉后方范圍內一致，只是在槳轂后方有較大差別，如果槳轂后方加裝舵球，二種計算結果造成扭轉角度的差別可以不予考慮。
　　 為研究襟翼舵對一體化節(jié)能推進裝置的操縱性的影響，首先討論了尾弦比及襟翼擺角對舵水動力性能的影響，并根據不同尾弦比襟翼舵升阻力曲線進行選型，然后研究了槳后定轉角比型襟翼舵及定轉舵比型襟翼舵水動力性能。計算結果表明，槳后襟翼舵較敞水效率高，對于定轉角比的襟翼舵而言，螺旋槳載荷越大，襟翼舵舵效越好

6、；對于定轉舵比襟翼舵而言，轉舵比對法向力系數作用明顯，轉舵比越大，襟翼舵法向力系數斜率提高越明顯，對于尾弦比0.2的襟翼舵而言，當轉舵比達到3/4時，法向力系數斜率提高能達80%。
　　 基于勢流理論，提出了一種求解一體化節(jié)能推進裝置非定常水動力性能的新方法。首先研究了流場中含2個升力體的面元法理論，建立了相應的數值計算模型，模型中螺旋槳和舵同時求解，二者間的相互干擾通過時域內影響系數的變化進行考慮。計算時，以定常計算結果作為非

7、定常計算的初始值，考慮了非定常求解時泄出渦的時間效應。然后計算了均勻流及非均勻流中一體化節(jié)能推進裝置非定常水動力性能。將均勻流中計算結果與實驗值進行了比較，結果表明，計算值與實驗值吻合良好，計算方法具有良好的精度，可以有效地預測一體化節(jié)能推進裝置的非定常水動力性能，螺旋槳旋轉1周，推力及轉矩周期與槳葉數相同，非定常力以1倍葉頻為主。舵受力出現較大的振蕩。
　　 為分析粘性力對一體化節(jié)能推進裝置的影響，采用FLUENT軟件計算了一

8、體化節(jié)能推進裝置的水動力及空泡性能，計算域全場采用結構化網格，在螺旋槳葉根、葉梢、導邊、隨邊及舵周圍的網格進行加密以盡量捕捉到流場的細節(jié)，結合多參考系模型和滑移網格技術，計算了均勻來流中一體化節(jié)能推進裝置的水動力性能及流場特性，比較了一體化節(jié)能推進裝置與普通槳舵系統物面壓強分布情況，同時分析了一體化節(jié)能推進裝置尾流場速度分布情況及尾流場中能量耗散情況，計算結果表明：一體化節(jié)能推進裝置減小了流場的湍動能，改善了舵表面壓力分布，使得整個系統

9、較普通槳舵系統推進效率提高5%～8%，同時，在對一體化節(jié)能推進裝置的空泡預報時，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?，并通過與試驗值的對比驗證了計算結果的可靠性，結果表明，該模型在預報空泡發(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。最后預報了一體化節(jié)能推進裝置舵的空泡性能，并與普通舵空泡性能進行了比較。在相同進速、相同空泡數時，一體化節(jié)能推進裝置舵較