船舶新型桨后节能附体水动力数值研究

作     者：董自强 

作者单位：江苏科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李冬琴

授予年度：2021年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：消涡助推叶轮 敞水性能 滑移网格方法 自航数值模拟 

摘      要：随着世界经济规模的不断增大,世界能源消耗持续增长,能源日趋紧张,且船舶是一种对能源依赖性很强的运输工具,因此研究船舶节能技术具有重要的意义。船舶节能附体的应用成为船舶节能减排的主要措施之一,船舶节能附体具有结构简单,易于安装等优点,且在改善船舶周围流场和提高螺旋桨推进性能方面有着无法代替的作用,对高能耗的散货船具有较高的应用价值。由于螺旋桨旋转运动,桨后存在大量的旋转水流和毂涡的现象,为了回收这部分的能量损失,提高螺旋桨的推进效率,本文提出了一种桨后助推叶轮节能附体的新型式—桨后消涡助推叶轮。本文围绕新型桨后消涡助推叶轮节能附体开展了敞水性能的预报,以及对变参数下的节能附体进行节能效果的分析,确定新型桨后消涡助推叶轮节能附体的节能效果最佳的结构参数,并以优化后的新型桨后消涡助推叶轮节能附体为数值模拟计算模型,进一步分析船-桨-节能附体耦合自航数值计算下的节能效果。主要研究内容如下:（1）新型桨后消涡助推叶轮节能附体敞水性能的数值研究。基于滑移网格方法,运用CFD数值仿真软件STAR-CCM+对KP505螺旋桨进行敞水性能数值模拟,计算结果与试验值进行比较,验证该计算方法的可靠性。运用敞水数值模拟方法对螺旋桨后加装新型消涡助推叶轮的组合系统进行敞水性能预报,分析不同系数下组合系统的推力系数、扭矩系数和敞水效率,并将数值计算结果与螺旋桨单独敞水的数值结果进行对比,分析加装新型桨后消涡助推叶轮的节能效果。根据加装消涡助推叶轮前后螺旋桨尾流场流线、轴向速度、周向速度矢量以及计算模型表面压力的变化情况,分析新型桨后消涡助推叶轮节能附体的工作原理。（2）新型桨后消涡助推叶轮节能附体变参数敞水性能的数值研究。通过改变新型桨后消涡助推叶轮节能附体的结构影响参数,完成螺旋桨-消涡助推叶轮组合系统的敞水性能的参数化数值模拟分析。改变消涡助推叶轮的单个参数（消涡助推叶轮桨叶的数量、桨叶与前置螺旋桨的安装距离、直径、整流叶片的数量）,求取不同进速系数工况下组合系统的推力系数、扭矩系数和敞水效率,分析每个工况下结构参数的改变对敞水性能的影响,根据敞水效率的对比确定最佳的结构参数,最终设计出节能效果更好的新型桨后消涡助推叶轮节能附体。（3）船-桨-新型桨后消涡助推叶轮节能附体自航水动力性能的数值研究。运用滑移网格方法对KCS船模和KP505螺旋桨耦合自航性能进行数值模拟,比较分析计算值与试验值,验证自航数值模拟方法的精确性。在船桨耦合模型的基础上加装新型桨后消涡助推叶轮节能附体再次进行自航数值模拟,对比加装前后自航数值模拟的计算结果,评估出新型桨后消涡助推叶轮节能附体自航状态下的节能效率,进一步揭示了新型桨后消涡助推叶轮节能附体对船桨水动力性能的影响。