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。     

船桨舵间距对推进效率影响的试验与数值研究

为了实现节能减排,需要使用各种手段降低船舶阻力和提高螺旋桨推进效率,论文基于一型支线型集装箱船开展快速性模型试验和数值模拟,探讨船体、螺旋桨和舵三者间距变化对推进效率的影响。研究结果表明,减少螺旋桨与舵的间距有利于提高螺旋桨推进效率;整体往后移动螺旋桨和舵也有利于提高螺旋桨推进效率。数值模拟结果与模型试验结果在应用方案的比较上两者具有良好的一致性。因此数值模拟可作为模型试验的补充,有利于捕捉更佳的布置方案。     

螺旋桨-舵-舵球推进组合体水动力性能的计算与仿真研究

建立了螺旋桨-舵-舵球推进组合体水动力性能的计算机仿真系统.系统研究了螺旋桨-舵-舵球推进组合体水动力性能的计算方法,建立了相关的仿真数学模型.模型中螺旋桨的水动力性能采用升力面理论涡格法计算,桨毂的影响采用Hess-Smith面元法计算.将舵及舵球的诱导速度作为对桨及桨毂进流的修正,以考查舵及舵球的影响.舵与舵球水动力的计算采用以速度势定义的面元法.在此基础上,进行系统功能设计,编制了计算机仿真系统.应用此软件设计了四种舵球方案,并进行了相应方案螺旋桨的定常水动力性能的计算对比分析.仿真计算表明,设计的舵球方案可有效地提高螺旋桨的水动力性能.其中不对称型舵球方案在实船对比测试中获得了节能5.1%,提高主机功率储备5%以上的效果.     

桨舵组合式节能推进器设计及水动力性能验证

为减小螺旋桨尾流能量耗散,提高桨舵系统的推进效率,开展桨舵组合式推进器设计研究。首先,基于适伴流设计思想结合面元法编制最大阻力减额的扭曲舵设计程序,获得桨后舵不同展向位置的扭曲角度,并通过与一前端削平的舵球及桨毂光顺连接形成桨舵组合式推进器的设计方案。然后,采用数值仿真分析获得均匀流场中桨舵组合式推进器的水动力性能、压力分布与流场特性等细节,初步验证设计方案的合理性。最后,开展船后桨舵组合式推进器的水动力性能试验,获得不同航速下螺旋桨和舵的水动力性能。试验结果表明,桨舵组合式推进器较原型桨舵推进器的效率在全航速段均有一定程度的提升,在设计工况点提升值达2.7%,证明设计方法正确,设计方案合理可行。     

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。     

基于CFD技术的节能舵球节能效果数值预报

基于CFD技术,分别预报了单个螺旋桨、桨舵组合的水动力性能,并将计算结果与试验值比较,结果显示预报结果与试验值吻合良好.在此基础上,对螺旋桨-舵-舵球组合进行了计算,并比较了舵球设计参数对节能效果的影响.计算结果表明,舵球可以有效地提高螺旋桨的效率,在舵球直径与螺旋桨直径之比为0.292时,其节能效果最好,达7.66％.     

舵球对螺旋桨敞水效率的影响

以一套模型桨和４只几何相似的舵球相互组合的试验，探讨了不同的桨、舵球间距和舵球尺度对螺旋桨敞水效率的影响。试验结果表明，桨、舵球间距的变化对螺旋桨敞水效率的影响是明显的。在舵上安装舵球后一般可使螺旋桨的敞水效率提高３％～５％。若舵球位置安装适当，可使原有的毂涡消失，考虑到螺旋桨后带舵时，它的敞水效率将发生变化。因此，在进行船模自航试验数据分析时，应考虑舵对螺旋桨敞水效率带来的影响而给予适当的修正。     

助推节能扭曲舵性能的理论预报

本文提出了一种新型助推节能扭曲舵性能的升力面理论预报方法。螺旋桨后尾流场诱导速度的计算采用准非线性升力线理论；采用定常非线性涡格法计算处于桨舵诱导速度场中扭曲舵的环量分布，进而计算扭曲舵的附加轴向助推力。扭曲舵的水动力性能计算结果与实验值相符，说明该方法是一种有效的预报方法。     

悬挂式扭曲舵的设计和计算

以某支线集装箱船为研究对象,逐步论述、权衡并确定其舵的几何参数,根据该几何校算所需的舵杆直径和舵机功率。采用CAESES和STAR-CCM+软件分别进行舵的参数化建模和舵周流场的数值仿真,基于流场信息完成舵的扭曲设计,最终得到与该集装箱船相匹配的扭曲舵方案。数值试验结果表明,该设计扭曲舵在节能和抗空化性能方面的表现相比普通舵有较为可观的提升。     

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。     

翼型舵球几何参数对桨-舵系统节能效果的影响

以KP505桨及NACA0018舵为研究对象,基于CFD软件FINE/Marine,运用滑移网格技术分别预报了单个螺旋桨及桨-舵组合系统的水动力性能.计算结果表明:裸桨的预报结果与实验值吻合良好,在进速系数为0.1~0.8时,相对误差均在5%以内,且在低进速下,桨-舵系统总效率较裸桨效率有所提高,最高提高1.27%;在高进速下,桨-舵系统总效率降低较大,最大降低6.36%.在此基础上,对桨-舵-舵球组合系统进行计算,通过改变翼型舵球的几何参数,讨论舵球尺寸对桨-舵系统节能效果的影响.结果表明:当翼型舵球剖面相对厚度比为0.28,且最大直径与螺旋桨直径之比为0.16时,节能效果最好,最佳节能效果达到1.62%.同时,通过对桨-舵系统与桨-舵-舵球系统的尾流场进行比较分析,得出舵球的节能原理,为舵球的实际工程应用提供了重要的理论依据.     

基于自航流场数值模拟的舵球节能流场分析

本文采用快速性数值模拟方法对加装舵球的36000吨散货船进行了节能评估。结果显示,加装舵球能起到一定的节能效果。之后本文对有、无舵球的两种方案的自航数值模拟流场进行了对比,分析获得了舵球节能的原理。本文模拟结果不仅可作为模型试验的有力补充,也可为舵球的优化设计提供重要参考。     

悬挂式扭曲舵设计及计算

以某支线集装箱船为研究对象,逐步论述、权衡并确定其舵的几何参数,根据该几何校算所需的舵杆直径和舵机功率,应用CAESES和STAR-CCM+软件分别进行舵的参数化建模和舵周流场的数值仿真,基于流场信息完成舵的扭曲设计,最终得到与该集装箱船相匹配的扭曲舵方案。数值试验结果表明,该设计扭曲舵在节能和抗空化性能上的表现较普通舵获得了可观的提升。     

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。     

舵对螺旋桨线谱噪声的影响

为比较不同舵形状时潜艇螺旋桨的线谱噪声变化规律,建立非均匀流场中螺旋桨线谱噪声的频域预报方法,通过CFD方法数值模拟X形舵和十字舵潜艇的非均匀速度场,对两种流场条件下七叶侧斜桨的辐射线谱噪声进行数值预报。结果表明,X形舵潜艇所产生的线谱噪声幅值比十字舵时要大,尤其体现在高阶叶频处。     

基于船-桨-舵组合系统舵球节能效果数值预报

以KCS船、KP505桨及NACA0018舵为研究对象,基于FINE/Marine软件,运用滑移网格技术,根据提出的翼型舵球尺寸,对粘性流场中的桨-舵、桨-舵-舵球组合系统进行水动力性能计算。计算得出该翼型舵球在低进速下,最佳节能效果可达1.66%。在此基础上,对船-桨-舵、及船-桨-舵-舵球系统进行计及自由液面的非定常干扰数值模拟,计算结果表明船-桨-舵-舵球系统的计算结果与桨-舵-舵球系统计算值趋势一致,且该舵球在航速V=2.1968m/s时,其节能效果达2.06%,是相同进速系数下,桨-舵-舵球组合系统的两倍左右,验证了该翼型舵球在两种组合系统下的节能效果,为舵球的实际工程应用提供了重要的理论依据。     

带舵船体自航条件下周围流动的数值模拟

本文介绍了对一艘带舵油轮在自航条件下的周围流动所进行的数值模拟。船体和舵周围的粘性流场是用数值求解假设为不可压缩的纳维尔－斯托克斯方程得到的。利用等效体积力分布来考虑螺旋桨的影响。通过无限叶数的螺旋桨理论估算螺旋桨体积力。计算结果与试验数据进行的比较证实了本方法的有效性，表明该方法可作为船舶设计的有效的工具。     

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。     

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。