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一、课题的来源、目的、意义,国内外探讨现状分析课题的来源、目的、意义
1.近年来,由于特种推动器在提高船舶推动效率、削减舰船振动以及降低噪声、节约燃油消耗等方面发挥了巨大的优势,已越来越为国内外探讨机构和学者所重视不少新的推动形式相继出现,一系列相关的理论和试验探讨也相继绽开吊舱推动器是目前受到世界造船业广泛关注的一种新型推Podded Propulsor动装置它在八十年头末期首先被应用于工程作业船,随后被应用于大型邮轮、客滚船、高速集装箱船等很多类型的船舶吊舱式推动的优点很多,例如,它大大增加了船舶设计的敏捷性、可以提高有效载荷及舱容利用率,提高推动效率、改善振动与噪声性能,降低推动系统安装与维护成本,提高牢靠性等其中,吊舱推动系统应用前景广袤在该种推动CRPContra RotorPropulsion形式中,传统轴推动桨与吊舱推动器螺旋桨相对反转运行,由于轴推动桨的能量损耗在吊舱得到回收,因而可提高推动效率到该种推动系统综合了吊10%15%.舱式推动器和对转螺旋桨的优点,除了具有很高的螺旋桨推动效率、良好的操作性能和空泡性能、节能等特点外,还具备牢靠性高、空间体积小、机械结构相对简洁、机动性和敏捷性好等优点,解决了单桨推动功率冗余不够、双桨推动造价昂贵的问题如今,船舶不断朝着大型化、高速化发展,航速为甚至更高的超大30〜35kn型集装箱船所需的推动功率已达到当今世界上最好的低速柴油机或涡轮机的功率极限因此采纳混合式吊舱推动来降低单机功率需求,对单桨及双桨船来说都是一种好的解决方案混合式吊舱推动也可用于吃水和螺旋桨直径受到限制、螺旋桨载荷偏高的船型,通过将推动载荷安排给两个螺旋桨,船舶的推动效率可以得到有效提高吊舱推动系统是近二十年来才渐渐发展起来的一种新型的船舶电力推动系统,不过国内外很多学者已接连开展了各种探讨,取得了很多成果⑴以改进的基于速度的面元法为基础,建立了吊舱推动器的Achkinadze et al水动力性能计算方法,并对拖式与推式吊舱推动器的水动力进行了数值计算与试验数据的比较表明,该方法可以较好地预报拖式及推式吊舱推动器的定常水动力性能,对于小舵角时操纵水动力的预报也具有肯定的精度Szantyr⑵采纳基于速度势的面元法,建立了吊舱推动器的水动力性能计算模型然后,应用该模型对双桨式吊舱推动器的水动力性能进行了数值计算,并与试验结果进行了比较,表明该方法对双桨式吊舱推动器水动力性能的计算有肯定精度⑶应用求解器对吊舱和支架阻力预报的尺度效应进行Chicherin et al RANS了探讨他们对两种类型的拖式吊舱推动器(吊舱分别为流线型和钝头型),分别进行模型尺度和实船尺度的粘性流场计算,得到了不同进速系数下吊舱和支架的阻力系数,探讨了吊舱和支架阻力系数与雷诺数和进速系数间的关系和⑷应用求解器和非结构网络技术预报了对转式吊舱Ohashi HinoN-S SURF推动船舶的水动力性能首先,他们对单螺旋桨及对转桨的敞水性能进行了计算;然后,将吊舱和支架作为船体的尾附体,对船体绕流和阻力进行了计算;最终,对带对转式吊舱推动器船舶的自航工况进行了数值计算,并对计算结果进行了探讨⑸对采纳吊舱推动器的新型渡轮进行了一系列完整的“数值Streckwall et al拖曳水池”试验该船型的推动系统由两部吊舱式推动器Siemens-Schottel SSP组成,共个螺旋桨数值计算主要基于求解器首先,他们应用4RANS RANS求解器对的敞水性能进行了数值计算,计算结果与试验数据的比较表明,敞SSP水性能计算具有很好的精度;然后,在考虑波浪影响的条件下计算了裸船体绕流和阻力;最终采纳三种不同的方法计算了带吊舱推动器的船体的绕流和阻力在国内,海军装备探讨院与上海交通高校海洋工程国家重点试验室合作,较早开展了吊舱推动器水动力性能的理论计算及试验探讨马骋等67⑻基于已有的螺旋桨升力面法和无升力风光元法,建立了吊舱推动器定常水动力性能的势流理论计算方法在此基础上,对拖式、推式及双桨式吊舱推动器分别进行了计算和试验比较,并分析了吊舱在桨盘面处的诱导速度分布和螺旋桨载荷分布等的计算结果与试验结果的比较表明,该方法可以较好地预报拖式及推式吊舱推动器的定常水动力性能盛立和熊鹰⑼建立了混合式吊舱推动器数值模型并置于数值空泡水洞CRP内,结合方程和湍流模型,运用滑移网格方法对混合式吊舱RANS SSTk-3CRP推动器在匀称流场中的水动力性能进行了数值模拟,得到了敞水性能预报结果,并分析了混合式推动器的非定常力;同时,利用空泡水洞、吊舱动力仪及CRP长轴动力仪对混合式吊舱推动器敞水性能进行了试验探讨CRP李巍等⑹采纳方法对吊舱推动器粘流水动力问题进行了数值探讨基CFD于混合面方法,在匀称来流状况下,数值预报吊舱推动器定常水动力特性,获得其推力系数、转矩系数等水动力性能参数以单桨拖式吊舱推动器为例,与试验结果对比,获得了很好的预报精度胡健等山]为了分析船体形态对吊舱推动器的影响,探讨了船后伴流中吊舱推动器的水动力性能船后伴流用计算流体力学方法进行分析,吊舱推动器的水动力性能用面元法探讨,吊舱和螺旋桨的相互影响用迭代方法求解,用蒙瑞诺解析公式计算螺旋桨和吊舱之间的诱导速度,结合船尾伴流的计算结果分析船尾伴流中吊舱推动器的水动力性能,并对船后不同位置吊舱推动器的水动力性能进行了比较参考文献
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52.
二、探讨目标、探讨内容、拟解决的关键问题探讨目标
1.探究吊舱推动器的数值模拟方法;1通过模拟,探讨混合式吊舱推动器的水动力性能;2CFD CRP⑶将模拟与相关模型试验数据进行比照,分析数据的牢靠性CFD探讨内容
2.常规吊舱螺旋桨的水动力性能探讨1对常规吊舱螺旋桨进行建模与计算,探讨其水动力性能CFD对转桨的水动力性能探讨2CRP对对转桨进行建模与计算,探讨其水动力性能CFD混合式吊舱推动系统的水动力性能探讨3CRP熟识数值模拟的各种方法和各个湍流模式,选择运用最佳的湍流模式CFD对混合式吊舱推动器进行数值模拟,得到模型在流场中的具体信息,分析CRP该推动器的水动力性能同时,通过试验得到推动器的相关水动力性能数据,并与模拟的结果进行对比分析CFD拟解决的关键问题
3.数值计算方法的选取1混合式吊舱推动器由两个螺旋桨主动部分和一个吊舱被动部分组成,三者之间存在负载的相互作用,因此设计问题比推动性能预报困难得多对转桨设计必需精确地把握前、后桨及其与船体之间的水动力相互作用,因而比单桨设计难度更高在探讨吊舱推动器的水动力性能时,方法可以分析困难物体四周的湍流CFD流淌,是一种特别适用的工具不过,基于不同的理论,吊舱推动器的数值模拟有多种不同的计算方法,计算方法的合适选取与恰当运用将干脆影响到模拟结果的牢靠与精确度模拟中的网格划分2CFD高质量的网格,不仅能提高计算速度,更重要的是能得到更为精确的计算结果对于混合式吊舱推动器,作出高质量的网格划分,将对后面的数值模CRP拟特别重要吊舱与船体间相互作用的处理3由于这种推动系统的困难性,仅仅精确设计螺旋桨是不够的,还须要精确地预料吊舱的影响和前、后桨及其与船体间的水动力相互作用
三、拟实行的探讨方法、技术路途拟实行的探讨方法
1.数值模拟1CFD对于吊舱推动器,水动力性能的理论计算方法一般可分为两种基于势流理论的计算方法和基于粘性流理论的计算方法吊舱推动器水动力性能的势流计算方法主要包括升力面法和面元法升力面Lifting SurfaceMethod PanelMethod o法目前仍是螺旋桨理论设计所采纳的主要工具随着计算机速度和内存的不断提高和扩大,为便于数值计算,离散的涡分布,即所谓涡格法Vortex LatticeMethod,得到越来越广泛的应用面元法源自边界元方法随着Boundary ElementMethod,计算机速度的快速提高和内存的增加,以它本身的特点越来越多地用于解决很多流体力学问题,目前已广泛用在螺旋桨性能计算和空泡几何形态预报中粘性流方法是指应用或求解器,在粘性流场中对包括吊舱、螺旋RANS N-S桨等在内的整个吊舱推动器的绕流和水动力进行数值计算由于方程或RANS方程考虑了流体的粘性影响,因此对于因粘性而产生的表面边界层的生成、N-S发展与分别,桨叶梢涡的形成,推动器尾流场的结构,以及推动器的尺度效应等都有可能进行预报与势流方法相比,粘性流方法在物理概念上更为完整但是,粘性流计算往往会耗费大量的时间和资源,而且从实际应用来看,粘性流计算对网格划分、湍流模型及边界条件的处理等相当敏感推动器的粘性流计算的主要难点在于对旋转中的螺旋桨的处理目前主要有三种方法,即鼓动盘方法、体积力方法和滑动网格技术前两种方法属于简化方法,把螺旋桨对船体、吊舱和支架的绕流的影响作为鼓动盘压力或速度跳动,或将盘面上的体积力引入船体、吊舱和支架的方程,螺旋桨的水动力则一般应用势流方法计算,两者的相互作用由迭代RANS法解决而采纳滑动网格技术则可以干脆处理湍流中的螺旋桨模型试验2从试验方法上看,吊舱推动器的推动试验目前可分为两类一类是将螺旋桨作为单独的推动单元,而把吊舱和支架等作为尾部附体,看作船体的一部分采纳这种方法进行实船预报,须要进行螺旋桨的敞水试验、带尾附体指吊舱推动器不含螺旋桨的其它部分的船体阻力试验及带整个吊舱推动器的自航试验这种方法由于没有考虑螺旋桨和吊舱之间剧烈的水动力相互作用,因而不能精确地确定船身效率和相对旋转效率另一类则是将包括螺旋桨、吊舱、支架、鳍在内的整个推动器作为一个独立的推动单元采纳该种方法,须要进行吊舱推动器的敞水性能试验、裸船体阻力试验及带吊舱推动器的自航试验两种方法比较而言,后一种方法由于考虑了吊舱与螺旋桨之间的水动力干扰,因此具有更好的预报精度技术路途
2.网格划分1本文将主要采纳数值模拟方法在进行数值计算时,须要对空间CFD CFD上连续的区域进行离散化目前常用的离散方法主要有有限差分法、有限元法和有限体积法其中在计算流体力学相关软件中,有限体积法应用比较广泛,它又称为限制体积法本文拟应用的流体计算软件采纳的就是有限体积FLUENT法,它的基本思路是将计算区域划分为网格,并使每个网格四周有一个互不重复的限制体积,将待解的微分方程对每个限制体积分,从而得到一组离散方程,通过求解方程组来得到具体的流场信息滑移网格技术2本文拟采纳滑动网格技术来处理湍流中的螺旋桨滑移网格技术的基本原理将几何模型网格划分成几个区域,交界面两侧网格相互滑动,不要求交接面两侧的网格结点相互重合,但要计算交界面两侧的通量,使其相等建模计算时,混合式推动系统中的前后螺旋桨拟采纳滑移网格技术来实现其旋转效应,滑移面将整体网格分成固定区域和动区域,动区域之间以及动区域和固定区域间接触面上的网格尽量一样,接触面旁边区域的网格要求尽量精细
四、课题特色与创新之处综合吊舱螺旋桨和对转螺旋桨的混合式推动系统水动力性能探讨;1⑵混合式吊舱推动系统最为适用的数值模拟方法的探究CRP。