全回转推进器的水动力性能研究

论文摘要

全回转推进器可以绕轴线作360度的回转,可以在任何方向获得最大推力,它可以使船舶原地回转、横向移动、急速后退和在微速范围内作操舵等特殊驾驶操作。装备全回转推进器可使船舶艉部形状简化,减少船舶阻力,并且在推进器发生故障时可以将整机从机舱吊出而不需要进坞,使维修工作大大简化,增加了柴油机的使用寿命。该新型推进器适合于各种工程船舶,例如拖轮、顶轮、浮动起重船、挖泥船、渡轮、作业用平底船等,具有广阔的市场应用前景和军事意义。本文以全回转推进器为研究对象,运用数值计算和模型试验这两种方法,开展了全回转推进器水动力性能的数值计算方法研究,计算了全回转推进器的定常和非定常水动力性能、进行了全回转推进器的水动力性能的试验研究,对全回转推进器的水动力性能进行了系统的理论和试验研究。以目前存在的拖式、推式和双桨式等三种全回转推进器,应用面元法理论,建立了全回转推进器定常和非定常水动力性能的数值模型并编制了相应的FORTRAN程序。螺旋桨采用升力体的面元法,舱体和支架采用无升力体的Hess-Smith方法,二者之间的影响通过迭代计算来处理。分别计算了拖式、推式及双桨式全回转推进器的定常水动力性能并与试验结果进行了比较,二者吻合良好,验证了本文建立的数值计算方法的有效性和精度。在此基础上,计算并分析了舱体对桨叶载荷分布的影响以及吊舱引起的伴流分布规律,分析了舱体和支架对伴流分布的影响。由于舱体的阻塞作用,拖式及推式全回转推进器的螺旋桨载荷均增加;舱体、支架在其正前、后方均产生一个高伴流区。以某型拖式全回转推进器为原型,在舱体上附加鳍后计算附鳍全回转推进器的定常水动力性能,并与无鳍时全回转推进器的水动力性能进行了比较,分析了鳍对全回转推进器螺旋桨水动力性能的影响。计算分析了附鳍舱体的伴流分布,与无鳍时的伴流分布比较,分析了附鳍舱体引起的伴流场的变化。工作于船后的全回转推进器,由于船体在桨工作区域产生强烈的船体伴流,会对全回转推进器的性能产生很大影响,同时影响船舶的操纵性能,基于此点,本章应用CFD软件FLUENT和全回转推进器的定常性能数值计算方法研究了船尾伴流中的全回转推进器的定常水动力性能。通过FLUENT模拟得到桨盘面处的船体伴流,进行周向平均后作为全回转推进器的来流。与无伴流的情况进行推力、扭矩、效率三者的对比分析,通过比较得知,在有船尾伴流的情况下,全回转螺旋桨的推力、扭矩均获得一定程度的提高,效率曲线也产生了一些变化。对全回转推进器进行了模型试验研究,通过模型试验,预报了船舶的航行性能,判断船、机、桨的匹配情况及航速是否达到设计指标;通过脉动压力、空泡试验和噪声试验,获得主推螺旋桨在正常航行时的空泡特性、诱导的船尾脉动压力和噪声级,判断船体表面脉动压力符合设计要求。完成了全回转推进单元装置的敞水试验。装有全回转推进器模型自航试验,在舵桨优化角下,完成吃水状态全附体模型自航试验,确定船桨相互作用参数。完成船后伴流场测试,对应实船设计航速（18kn）,完成优化船型船后桨盘面处三维伴流场测试。实船航速预报,根据模型试验结果,预报实船航速及船、机、桨的匹配情况。正常航行时主推螺旋桨模型空泡试验对某型全回转推进器进行了模型试验,得到了该推进器的敞水性能,推进器在不同偏转角条件下的水动力性能,测量了船左侧的螺旋桨在船模正航、右偏航一定角度时作的±180度和±90度回转时的性能。并得到了船体的影响系数曲线。基于本文所建立的全回转推进器非定常性能的数值计算方法,计算了在均匀来流中的全回转推进器的非定常水动力性能,计算得舱体的实效伴流和标称伴流分布,讨论了在两种伴流条件下的全回转推进器的非定常水动力性能;计算了忽略舱体不同伴流分量时的全回转推进器螺旋桨的非定常水动力性能,分析了不同伴流分量对全回转推进器非定常水动力性能的影响;以试验测得的某型船尾伴流为全回转推进器的来流,计算了在该来流下的全回转推进器的非定常水动力性能,讨论了船尾伴流对全回转推进器水动力性能的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 船舶全回转推进装置
• 1.1.1 全回转推进器开展研究的意义
• 1.1.2 全回转推进器的机构原理
• 1.2 全回转推进器的国内外开发应用现状
• 1.2.1 国外的开发研究现状
• 1.2.2 国内的开发研究现状
• 1.3 全回转推进器的军事应用前景
• 1.4 全回转推进器的理论与试验研究
• 1.4.1 国内的研究
• 1.4.2 国外对全回转推进器的研究
• 1.4.3 POD推进器非设计工况水动力性能的研究进展
• 1.5 论文主要工作
• 第2章 全回转推进器定常性能的数值计算
• 2.1 引言
• 2.2 单桨敞水性能计算
• 2.3 单桨全回转推进器的敞水性能计算
• 2.3.1 计算方法
• 2.3.2 螺旋桨—舱体相互影响的迭代计算
• 2.3.3 全回转推进器的定常水动力性能
• 2.4 舱体对螺旋桨水动力性能的影响
• 2.4.1 舱体对螺旋桨径向环量的影响
• 2.4.2 舱体对螺旋桨叶片压力分布的影响
• 2.4.3 舱体诱导速度
• 2.5 本章小结
• 第3章 附鳍全回转推进器的水动力性能分析
• 3.1 单鳍全回转推进器的水动力性能研究
• 3.1.1 单鳍全回转推进器的模型
• 3.1.2 单鳍全回转推进器的绕流场
• 3.1.3 单鳍全回转推进器的定常水动力性能
• 3.1.4 鳍对全回转推进器水动力性能的影响
• 3.2 双鳍全回转推进器的水动力性能研究
• 3.2.1 双鳍全回转推进器的模型
• 3.2.2 双鳍全回转推进器的绕流场
• 3.2.3 双鳍全回转推进器的定常水动力性能
• 3.2.4 双鳍对全回转推进器水动力性能的影响
• 3.2.5 鳍的变化对推进器水动力性能的影响
• 3.3 本章小结
• 第4章 船尾流场全回转推进器水动力性能计算
• 4.1 船尾流场的数值模拟
• 4.1.1 建立几何模型
• 4.1.2 构建控制域
• 4.1.3 网格的划分
• 4.1.4 边界的处理
• 4.1.5 求解模型和参数的设定
• 4.1.6 计算结果的分析与验证
• 4.2 全回转螺旋桨的定常水动力性能的计算方法
• 4.3 数值求解结果
• 4.3.1 船尾伴流
• 4.3.2 计入船尾伴流的全回转螺旋桨性能的计算
• 4.3.3 船尾伴流对全回转推进器性能的影响
• 4.4 本章小结
• 第5章 船尾流场中螺旋桨水动力性能的试验研究
• 5.1 概述
• 5.2 试验模型
• 5.3 试验方法
• 5.3.1 流线试验
• 5.3.2 敞水试验
• 5.3.3 模型自航试验
• 5.3.4 伴流测量
• 5.4 试验结果及分析
• 5.4.1 敞水试验结果
• 5.4.2 自航试验结果
• 5.4.3 伴流场测试结果
• 5.5 本章小结
• 第6章 全回转推进器的非定常水动力性能
• 6.1 引言
• 6.2 积分方程的建立
• 6.3 数值求解方法
• 6.4 库塔条件的应用
• 6.5 螺旋桨非定常性能的计算
• 6.6 均匀来流中全回转推进器非定常性能的计算
• 6.6.1 数值计算方法
• 6.6.2 标称和实效伴流下的非定常水动力性能
• 6.7 船尾全回转推进器的非定常水动力性能
• 6.7.1 船体尾部伴流场的测量
• 6.8 本章小结
• 第7章 全回转推进器的试验研究
• 7.1 试验模型
• 7.2 试验结果及分析
• 7.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢
• 个人简历