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水动力学研究与进展（A辑） 2023年第4期38卷 543-550页

作者：梁天雄梁宁曹琳琳吴大转浙江大学能源工程学院杭州310007

船-推相互作用将对喷水推进器的性能产生显著影响,是喷水推进器优化设计中必须考虑的关键问题。该文以某水面快船-喷水推进器系统为研究对象,基于求解RANS方程和SST k-ω湍流模型,分别采用VOF多相流数值方法和多重参考坐标系(MRF)方法,... 详细信息

船-推相互作用将对喷水推进器的性能产生显著影响,是喷水推进器优化设计中必须考虑的关键问题。该文以某水面快船-喷水推进器系统为研究对象,基于求解RANS方程和SST k-ω湍流模型,分别采用VOF多相流数值方法和多重参考坐标系(MRF)方法,对喷水推进器的敞水性能及其装船后的自航性能开展数值计算。通过对比不同计算工况下的喷水推进器外特性与内部流动特性,分析并总结了船-推相互作用对喷水推进器性能的影响规律和影响机理,结果表明:喷水推进器装船后,将偏向高流量工况运行,且偏移程度与船体所处的航行状态直接相关;自航时的船体运动姿态还能改善喷水推进器进水流道唇部的流动分离现象,提高喷水推进的总体效率。

关键词：喷水推进器船-推相互作用数值模拟

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水面快船-喷水推进器的相互作用特性与流动机理研究

水面快船-喷水推进器的相互作用特性与流动机理研究

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作者：梁天雄浙江大学

学位级别：硕士

喷水推进作为一种能量密度大、推进效率高、抗空化性能好的新兴船舶推进方式,已广泛应用于各类型高性能水面快船,例如滑行艇、三体船等。喷水推进器实际装船运行后,船-推相互作用会使船体与推进器的水动力性能产生不同变化,并直接影响... 详细信息

喷水推进作为一种能量密度大、推进效率高、抗空化性能好的新兴船舶推进方式,已广泛应用于各类型高性能水面快船,例如滑行艇、三体船等。喷水推进器实际装船运行后,船-推相互作用会使船体与推进器的水动力性能产生不同变化,并直接影响喷水推进的总体效率,且不同类型船体的船-推相互作用也各不相同。因此,充分理解与分析船-推相互作用的特性与流动机理可为喷水推进船的性能研究与优化设计提供理论指导,具有重要意义。本文以某滑行艇型水面快船和喷水推进器组成的系统为研究对象,通过“CFD数值模拟+物理试验验证”的方式开展了船-推耦合模型数值模拟方法,并在此基础上开展船-推相互作用特性研究。本文主要完成的工作如下:(1)根据船舶喷水推进理论,对船体-喷水推进器系统开展了数学模型分析。整理了相关重要概念、物理量与船-推相互作用影响系数等的定义,梳理了装船后喷水推进器的能量传递过程。此外还阐述了船-推耦合模型的数值模拟方法,对数值计算使用的RANS方法、控制方程、SST k-ω湍流模型、VOF多相模型以及DFBI模型等进行了介绍和说明。(2)基于RANS方法和SST k-ω湍流模型,对喷水推进器的敞水性能开展数值模拟计算。本文采用了基于VOF两相模型的喷水推进器敞水性能数值计算方法,并通过开展网格无关性分析与系泊试验进行了验证。计算结果表明:相比常用的单相数值计算方法,两相数值计算方法可以更准确地模拟与计算推进器的内、外流场分布和外特性参数。某喷水推进器的泵水力效率在低速时达到峰值,约为87%,而总体推进效率峰值在高速时达到峰值,约为61%,两峰值对应的航速工况点并不相同。(3)对喷水推进器配套的水面快船的水动力性能开展数值模拟计算。首先,通过Fridsma滑行艇标模试验、网格无关性与不确定度分析等,验证了数值计算方法的准确性;然后,对该水面快船的水动力性能开展数值计算,结果表明:该水面快船的总阻力在Fr_▽=1.50附近达到峰值,且其运动姿态、自由液面波形等特性与Fridsma滑行艇类似;最后,将喷水推进器与船体的数值计算方法相结合,开展船-推耦合自航计算,结果表明:自航转速与船体总阻力、航速直接相关,自航状态下的艉部兴波高度大于裸船状态,且波峰位置更靠后。(4)基于数值计算结果,从船体与喷水推进器两方面系统总结和分析了船-推相互作用的影响规律与流动机理,结果表明:喷水推进器的安装与工作使船体纵倾角、升沉值与总阻力增大,总阻力平均增幅约为20%,但自航时的船体总阻力随航速的变化趋势和阻力峰值点与裸船基本一致;船体几何形状与运动姿态降低了船体边界层厚度,增大了喷水推进器的进流,导致推进泵偏向高流量工况运行,做功能力下降,并通过定义流量增额分数m定量分析了喷水推进泵的偏工况特性。此外,喷水推进能量传递特性的分析结果表明,船-推相互作用会对喷水推进的总体性能产生不可忽视的影响,且在低航速时影响程度更大,最大可达40%。综上,本文形成了水面快船-喷水推进器耦合模型的数值模拟方法,定量分析了船-推相互作用对船体与喷水推进器性能的影响规律,揭示了船-推相互作用的流动机理。研究成果对提高喷水推进总体效率、推进泵优化设计等具有理论指导意义和工程实践价值。

关键词：高速水面船喷水推进器船-推相互作用数值模拟

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