船体影响下舵附推力鳍的节能效果研究

通过CFD方法实现船舶自航试验模拟,计算在船体影响下舵附推力鳍可带来2.3%左右的节能效果,分析指出舵附推力鳍通过吸收螺旋桨尾流能量,增加螺旋桨推力,改善船尾伴流,降低船身阻力的节能原理。计算敞水状态下桨/舵/舵附推力鳍系统的推进性能,并与船体影响下的推进性能进行比较,指出敞水状态下舵附推力鳍的工作状态与在船体影响下有着较大不同,为设计人员提供基础参考。     

桨后舵附推力鳍理论计算

螺旋桨与舵附推力鳍,分别采用升力面法和基于速度势的面元法计算,两者之间的相互干扰采用迭代计算。在计算面元的影响系数时,应用了Morino导出的解析计算公式,以加快数值的计算速度。分析了不同螺旋桨尾涡模型对舵附推力鳍水动力性能的影响,并提出一种新的螺旋桨尾涡模型。计算了加装舵附推力鳍之后螺旋桨尾流场周向诱导速度沿径向的分布。对影响推力鳍助推效率的几个主要参数进行了变尺度研究。     

舵球鳍参数对扭曲舵水动力性能的影响研究（英文）

文章对桨后普通舵和扭曲舵的水动力性能进行了试验研究,并采用计算流体力学方法对桨舵系统的水动力性能进行计算,得到了不同进速系数下的推力系数、扭矩系数以及敞水效率,并绘制了敞水性能曲线。通过桨舵模型试验值与计算值的对比,验证了计算方法的可靠性。为了进一步提高扭曲舵的节能效果,在扭曲舵前安装了舵球,优化舵球的半径后在舵球两端安装推力鳍,通过优选推力鳍的各个参数(安装位置、展弦比和安装角),使桨舵系统的敞水效率逐步提高。确定了舵球鳍的最优参数后,桨—扭曲舵系统的效率进一步提高1.2%。最后通过观察舵表面压力分布、舵附近轴向速度和迹线分布,分析了舵球鳍对桨舵干扰的影响。     

舵球鳍参数对扭曲舵水动力性能的影响研究

文章对桨后普通舵和扭曲舵的水动力性能进行了试验研究,并采用计算流体力学方法对桨舵系统的水动力性能进行计算,得到了不同进速系数下的推力系数、扭矩系数以及敞水效率,并绘制了敞水性能曲线。通过桨舵模型试验值与计算值的对比,验证了计算方法的可靠性。为了进一步提高扭曲舵的节能效果,在扭曲舵前安装了舵球,优化舵球的半径后在舵球两端安装推力鳍,通过优选推力鳍的各个参数（安装位置、展弦比和安装角）,使桨舵系统的敞水效率逐步提高。确定了舵球鳍的最优参数后,桨—扭曲舵系统的效率进一步提高1.2%。最后通过观察舵表面压力分布、舵附近轴向速度和迹线分布,分析了舵球鳍对桨舵干扰的影响。     

图谱设计在某近海船舵桨用导管螺旋桨的应用

应用图谱设计方法对某近海船舵桨用导管螺旋桨进行了设计,并进行了实船系柱推力性能预报.通过导管螺旋桨的敞水性能试验,得到了其敞水性能曲线,同时预报了该船在系柱状态下的实桨推力,最后与实船试航结果进行了对比,得出相关结论.     

Fluent在螺旋桨与舵附推力鳍数值模拟中的应用

动力系统是船舶的重要组成部分,随着船舶的高速化、大型化发展趋势,对船舶动力系统的性能有更高的要求,在船舶动力系统中,螺旋桨是一种具有复杂作用力的机构,舵附推力鳍是螺旋桨的尾流能量收集装置,对于改善舰船螺旋桨的水动力性能有重要作用。Fluent是一种计算流体力学CFD的数值模拟软件,广泛应用于各种机械设备如机翼、汽车、风力发电机扇叶等的流体动力学分析。本文首先介绍了Fluent的基本原理,采用面元法建立了螺旋桨的流体动力学模型,并基于Fluent对螺旋桨和舵附推力鳍进行了有限元建模和水动力特性仿真。     

舵球推力鳍对最小推进功率的影响

针对安装有水动力节能装置的船舶,在最小推进功率的评估中,IMO临时导则的估算公式尚未涉及节能装置的影响。以数值模拟为主要手段,以大型散货船及其舵球推力鳍为研究对象,在验证了数值模拟方法的可靠性之后,重点对舵球推力鳍影响下的伴流分数、推力减额以及产生的节能效果进行了研究,为完善最小推进功率导则提供技术支撑。研究认为,临时导则第3.9条中静水阻力经验公式有良好的精度;舵球推力鳍对船舶静水阻力的影响很小,几乎可以忽略不计;数值计算结果显示,舵球推力鳍对推力减额、伴流分数有明显的影响,舵球推力鳍在超低航速时的节能效果远高于设计航速的节能效果,但是经验公式中并没有考虑节能装置在超低航速时对推进性能的影响。     

渔船桨-舵球组合系统节能效果数值分析

考虑将有节能效果的舵球应用于渔船,采用计算流体力学软件STAR-CCM+对39.8 m远洋围网渔船舵桨进行舵球应用数值模拟,由推进效率、螺旋桨表面的压力分布及流场对比不同直径舵球及与螺旋桨桨毂距离组合方案下螺旋桨的敞水性能差异;分析发现对于航速较高的远洋渔船采用合适的舵球可以改善螺旋桨尾部流场分布,降低其尾流旋涡的强度,提高螺旋桨推进效率,达到一定的节能效果。     

伴流分布对螺旋桨毂帽鳍节能效果的影响

基于CFD模拟与分析,考察船尾伴流分布对螺旋桨毂帽鳍节能效果的影响,并对敞水条件下设计的毂帽鳍进行适伴流优化。采用Star CCM~+软件,分别在均匀来流以及KCS船尾伴流中进行螺旋桨毂帽鳍水动力性能的RANS模拟,比较毂帽鳍在不同来流场中的节能效果,并对节能机理进行了分析。针对KCS船实尺度伴流场,通过鳍片螺距角的改变,优化节能效果。计算结果表明:毂帽鳍在非均匀伴流中的节能效果显著高于在敞水中,敞水中的毂帽鳍的最优设计方案不一定适用于非均匀伴流,适当改变毂帽鳍的几何参数可进一步提高其在船尾伴流中的节能效果。     

考虑耙吸力的耙吸挖泥船阻力性能 数值分析及试验比较

自航耙吸挖泥船船体线型较为肥大，工况较多，不同工况下对阻力性能的要求也不尽相同。文中首先利用CFD建立某耙吸挖泥船数值模型，计算分析耙吸挖泥船裸船体阻力性能，并与模型试验数据进行对比，取得了一致结果。在此基础上，考虑耙吸力影响，分析不同工况下该耙吸挖泥船在装有不同螺旋桨的情况下船体及舵的阻力性能差异，通过流场分析其机理。并结合螺旋桨敞水性能，计算了新导管桨与原桨在实尺度下的推进效率及收到功率，结果表明新导管桨推进效率相较于原桨提升了约8.8%，验证了耙吸挖泥船耙吸力的合理性。     

基于CFD技术的整流鳍节能效果数值预报

针对节能装置节能效果的预报仍然依赖模型试验,数值预报方法对节能效果的预报存在较多困难的问题,提出了一种基于CFD技术的整流鳍节能效果的数值预报方法。首先,研究了整体求解船-桨-舵相互干扰的水动力性能数值计算方法,计算结果与试验值的比较显示,该数值计算方法具有较好的计算精度。然后,采用上述方法预报了船-桨-舵-整流鳍相互干扰的水动力性能,通过比较有整流鳍和无整流鳍两种情况下,螺旋桨吸收单位转矩所发出的推力,分析了整流鳍的节能效果,得到了节能效果较优的整流鳍,其综合节能效果可达2.78%,从而为船舶节能装置的节能效果预报提供了一种适用的理论研究方法。     

舵桨相互作用下现代船舶绕流数值研究（英文）

Reducing the fuel consumption of ships presents both economic and environmental gains. Although in the past decades,extensive studies were carried out on the flow around ship hull, it is still difficult to calculate the flow around the hull while considering propeller interaction. In this paper, the viscous flow around modern ship hulls is computed considering propeller action. In this analysis, the numerical investigation of flow around the ship is combined with propeller theory to simulate the hull-propeller interaction. Various longitudinal positions of the rudder are also analyzed to determine the effect of rudder position on propeller efficiency. First, a numerical study was performed around a bare hull using Shipflow computational fluid dynamics(CFD) code to determine free-surface wave elevation and resistance components.A zonal approach was applied to successively incorporate Bpotential flow solver^ in the region outside the boundary layer and wake, Bboundary layer solver^ in the thin boundary layer region near the ship hull, and BNavier-Stokes solver^in the wake region. Propeller open water characteristics were determined using an open-source MATLAB code Open Prop, which is based on the lifting line theory, for the moderately loaded propeller. The obtained open water test results were specified in the flow module of Shipflow for self-propulsion tests. The velocity field behind the ship was recalculated into an effective wake and given to the propeller code that calculates the propeller load. Once the load was known, it was transferred to the Reynolds-averaged Navier-Stokes(RANS) solver to simulate the propeller action. The interaction between the hull and propeller with different rudder positions was then predicted to improve the propulsive efficiency.     

船舶推进节能技术研究与进展

随着船舶燃油价格的上涨,船舶节能技术得到了广泛的关注,本文旨在介绍国内外船舶推进与节能方面的研究与进展。其中包括优秀船型的研究、开发附加流体水动力节能装置、新型高效推进器以及一些特殊船舶节能技术的研究。重点介绍了非对称尾船型、双尾鳍船型、可调距螺旋桨、对转螺旋桨、桨后自由旋转助推叶轮、舵附推力鳍以及一些特殊船舶推进节能装置的研究与应用等。     

2.5万载重吨多用途干货船船型优化及节能装置

介绍2.5万DWT肥大型多用途干散货船船型优化及节能装置的船模试验研究.其船体线型优化设计和球艏的优选,在上海船舶运输科学研究所拖曳水池进行.文中给出了船模阻力、自航和尾部伴流场测试的试验结果,分析了船型变化对快速性的影响,同时介绍了尾部加装节能装置前置导管及舵球的节能效果.该船型优秀,快速性指标先进,是经济高效船舶.实船正在建造中.     

风帆辅助推进船舶操纵可控区研究

加装风帆后的船舶在低速时的航行特性有别于无帆情形。为确保低速航行安全,基于MMG非线性运动方程,计算了有、无风帆情况下的船舶操纵可控区。运动方程中的船体水动力系数、舵模块参数等由经验公式得到,帆/船整体气动力系数由基于滑移网格方法的CFD手段获得。计算结果表明:不同帆攻角下的船舶自由操控区不同,通过合理的帆/舵联合操纵,可以扩大风帆辅助推进船舶低速航行的可自由操控区,增强其在风中的抗风能力。     

Circular motion tests and uncertainty analysis for ship maneuverability

Circular motion test data and uncertainty analysis results of investigations of the hydrodynamic characteristics of ship maneuvering are presented. The model ships used were a container ship and two tankers, and the measured items were the surge and sway forces, yaw moment, propeller thrust, rudder normal and tangential forces, pitch and roll angles, and heave. The test parameters were the oblique angle and yaw rate for the conditions of a hull with a rudder and propeller in which the rudder angle was set to zero and the propeller speed was set to the model self-propulsion conditions. Carriage data showing the accuracy of the towing conditions in the circular motion test are also presented. It was confirmed that the uncertainties in the hydrodynamic forces such as the surge and sway forces, yaw moment, rudder tangential and normal forces, and propeller thrust were fairly small. The reported uncertainty analysis results of the circular motion test data may be beneficial in validating data quality and in discussing reliability for simulation of ship maneuvering performance.     

基于滑移网格的带桨水面船自航性能预报研究

应用FINE/Marine软件对KCS船、KP505桨以及考虑自由液面的船桨组合体进行数值计算,并计算其自航性能。利用滑移网格技术和随体网格来实现船桨之间的相互耦合。考虑到原有的自航性能数据处理方法并不代表实际情况,文中借鉴强制自航法的概念提出了一种新的船舶自航点求解方法预报船舶自航性能,并与模型试验结果进行比较,吻合良好,其中推力减额系数、伴流分数以及船舶推进效率的计算误差分别为0.5%、2.18%、6.76%。本文研究为预报船舶自航性能提供了一种新的研究手段。     

减摇鳍与船体的适配性数值模拟

利用计算流体力学方法对减摇鳍与船体之间的适配性问题进行研究。利用零航速减摇鳍的参数以及某型驱逐舰的船型型值表,分别建立在敞水条件下的减摇鳍模型以及加上减摇鳍的船体模型。首先,仿真分析在中、高航速下敞水条件的减摇鳍与受船体约束减摇鳍的静态水动力特性。其次,利用动网格技术分别分析在中、高航速和低航速下敞水条件的减摇鳍与受船体约束减摇鳍的动态水动力特性。计算结果分析表明：静态仿真时,虽然受船体约束减摇鳍的失速角没有敞水条件下的减摇鳍大,但在同样的攻角下,其升力系数却有较大的提高;在动态仿真中,无论是在中、高航速还是低航速下,受船体约束减摇鳍拍击产生的升力都要比敞水条件下的减摇鳍大,但同时产生的阻力以及所需的转鳍力矩也有较大的提高。     

基于CFD方法的6500TEU集装箱船舵空泡腐蚀数值模拟研究

舵的空泡腐蚀研究在船型优化设计和新船型开发中具有重要意义。文章以6 500 TEU集装箱船的NACA0021舵为研究对象,通过对船、桨、舵整体三维建模,运用CFD方法在3D计算域下对舵的非定常空化现象进行数值模拟,得到了与试验比较一致的结果。同时还对改善舵空蚀现象的措施进行了分析。研究表明,通过整体建模的数值模拟方法对舵空泡性能进行预测研究,其结果是合理可信的。