四桨两舵船舶螺旋桨不同工况下水动力性能及船体操纵性研究

论文摘要

近年来,各国都积极投入对操纵运动船舶水动力性能的研究,目的在于不断提高船舶操纵性预报的准确性,实现真正意义上的对船舶运动的仿真模拟。船舶的水动力性能研究计算对准确预报船舶的操纵性能起着至关重要的作用。本文运用CFD软件计算了螺旋桨的敞水性能,得出了不同进速系数下螺旋桨的推力系数KT,扭矩系数Ko,并与试验值进行对比。结果表明CFD计算敞水螺旋桨的水动力性能是可行的。分别利用FLUENT和卡耳玛科夫两种计算方法,计算了敞水中螺旋桨被锁定时的水动力性能。得出不同进速下螺旋桨锁定时的阻力分布以及横向力分布。运用刚体转动稳定性的原理,计算了敞水条件下螺旋桨自由旋转时的水动力性能。给出了不同进速下螺旋桨受到的阻力值以及临界转速。计算结果表明随着进速V的增大,自由旋转的螺旋桨达到临界状态时的转速N也不断增加。同时临界轴向力逐渐增加并表现为阻力,螺旋桨旋转方向与正常桨一致。计算了考虑船尾伴流影响后内桨锁定或外桨锁定,以及内桨自由旋转或外桨自由旋转时所受到的作用力。比较了FLUENT和卡耳玛科夫两种方法的计算结果。本文利用标准K-ε湍流模型计算了具有自由表面的粘性绕流场。计算不同航速下的船舶所受的阻力值,并与试验值比较,通过分析发现:在低速时,计算值比试验值要大,而在高速时CFD计算值偏小。但总的来说两者差别不大。计算阻力曲线和试验阻力曲线的变化趋势基本一致,能较好地反映出船体的阻力性能。验证了CFD模拟带自由液面船体的粘性流场是可行的。在前一章的基础上进一步探讨了船体周围以及螺旋桨内桨及外桨盘面处的伴流分布,模拟了船体尾部桨盘面处的伴流场。分别计算了裸船体和附体船桨盘面处的三向速度比随角度变化的分布情况;计算了三向平均速度比沿径向的分布情况。计算了平均轴向,切向以及径向速度比随Fr数的变化情况,发现随着Fr的增大,船舶内外桨盘面处的平均轴向速度比增加。说明航速V的变化对船尾伴流分布是有影响的。建立了船舶操纵性运动模型。建模时,分别考虑了作用在船体,桨,舵上的力和力矩以及三者之间的相互干涉。利用前几章计算得出的各水动力值,代入MMG方程中,并用龙格库塔法对操纵运动的数学模型求解,从而实现船舶的运动仿真。本论文可为进一步研究大型船舶快速性以及操纵性能提供一些参考和依据。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 船舶操纵性预报研究进展及现状
• 1.3 CFD发展及在船舶领域的应用
• 1.3.1 计算流体力学的发展
• 1.3.2 CFD在船舶领域的应用
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 基于CFD的敞水螺旋桨水动力性能计算
• 2.1 引言
• 2.2 CFD基本理论
• 2.2.1 控制方程
• 2.2.2 连续性方程
• 2.2.3 动量守恒方程
• 2.3 敞水螺旋桨建模
• 2.3.1 建立几何模型
• 2.3.2 建立敞水螺旋桨计算控制域
• 2.3.3 网格划分及边界条件设定
• 2.4 数值计算结果及分析
• 2.4.1 敞水螺旋桨压强，速度，尾涡分布图
• 2.4.2 计算结果分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 螺旋桨部分工作状态下的水动力性能计算
• 3.1 引言
• 3.2 卡耳玛柯夫的计算思想
• 3.3 CFD计算思想
• 3.4 数值计算结果
• 3.4.1 螺旋桨被锁定时的数值计算
• 3.4.2 螺旋桨自由旋转时的数值计算
• 3.4.3 考虑伴流影响的螺旋桨数值计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 基于CFD船体绕流场的数值模拟
• 4.1 引言
• 4.2 船体建模
• 4.2.1 建立几何模型
• 4.2.2 构建控制域
• 4.2.3 划分网格
• 4.2.4 设置边界条件
• 4.2.5 设定求解模型和参数
• 4.3 计算结果的分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于CFD的船体伴流场的数值模拟
• 5.1 伴流的成因和分类
• 5.2 船体伴流计算
• 5.2.1 附体船外桨盘面处伴流分布
• 5.2.2 附体船内桨盘面处伴流分布
• 5.3 附体对船体伴流的影响
• 5.3.1 附体对外桨盘面处伴流分布的影响
• 5.3.2 附体对内桨盘面处伴流分布的影响
• 5.3.3 不同Fr数下，附体船和裸船体伴流计算值对比
• 5.4 本章小结
• 第6章 船舶操纵性仿真模拟
• 6.1 船舶运动模型的建立
• 6.1.1 建模的条件和要求
• 6.1.2 船舶运动方程
• 6.1.3 船体上流体动力及力矩计算模型
• 6.1.4 螺旋桨及主机特性计算模型
• 6.1.5 舵及舵机特性计算模型
• 6.2 船舶操纵性计算
• 6.2.1 正常工作状态下回转性能计算
• 6.2.2 自由旋转状态下船舶回转性能计算
• 6.3 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢