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一、課題的來源、目的、意義，國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析1. 課題的來源、目的、意義近年來，由于特種推進(jìn)器在提高船舶推進(jìn)效率、減少艦船振動(dòng)以及降低噪聲、節(jié)省燃油消耗等方面發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢(shì)，已越來越為國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者所重視。不少新的推進(jìn)形式相繼出現(xiàn)，一系列相關(guān)的理論和試驗(yàn)研究也相繼展開。吊艙推進(jìn)器(Podded Propulsor)是目前受到世界造船業(yè)廣泛關(guān)注的一種新型推進(jìn)裝置。它在八十年代末期首先被應(yīng)用于工程作業(yè)船，隨后被應(yīng)用于大型郵輪、客滾船、高速集裝箱船等許多類型的船舶。吊艙式推進(jìn)的優(yōu)點(diǎn)很多，例如，它大大增加了船舶設(shè)計(jì)的靈活性、可以提高有效載荷及艙容利用率，提高推進(jìn)效率、改善振動(dòng)與噪聲性能，降低推進(jìn)系統(tǒng)安裝與維護(hù)成本，提高可靠性等。其中，CRP(Contra Rotor Propulsion)吊艙推進(jìn)系統(tǒng)應(yīng)用前景廣闊。在該種推進(jìn)形式中，傳統(tǒng)軸推進(jìn)槳與吊艙推進(jìn)器螺旋槳相對(duì)反轉(zhuǎn)運(yùn)行，由于軸推進(jìn)槳的能量損耗在吊艙得到回收，因而可提高推進(jìn)效率10%到15%. 該種推進(jìn)系統(tǒng)綜合了吊艙式推進(jìn)器和對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的優(yōu)點(diǎn)，除了具有很高的螺旋槳推進(jìn)效率、良好的操作性能和空泡性能、節(jié)能等特點(diǎn)外，還具備可靠性高、空間體積小、機(jī)械結(jié)構(gòu)相對(duì)簡單、機(jī)動(dòng)性和靈活性好等優(yōu)點(diǎn)，解決了單槳推進(jìn)功率冗余不夠、雙槳推進(jìn)造價(jià)昂貴的問題。如今，船舶不斷朝著大型化、高速化發(fā)展，航速為3035kn甚至更高的超大型集裝箱船所需的推進(jìn)功率已達(dá)到當(dāng)今世界上最好的低速柴油機(jī)或渦輪機(jī)的功率極限。因此采用混合式吊艙推進(jìn)來降低單機(jī)功率需求，對(duì)單槳及雙槳船來說都是一種好的解決方案。混合式吊艙推進(jìn)也可用于吃水和螺旋槳直徑受到限制、螺旋槳載荷偏高的船型，通過將推進(jìn)載荷分配給兩個(gè)螺旋槳，船舶的推進(jìn)效率可以得到有效提高。2. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析吊艙推進(jìn)系統(tǒng)是近二十年來才逐漸發(fā)展起來的一種新型的船舶電力推進(jìn)系統(tǒng)，不過國內(nèi)外很多學(xué)者已陸續(xù)開展了各種研究，取得了許多成果。Achkinadze et al1以改進(jìn)的基于速度的面元法為基礎(chǔ)，建立了吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能計(jì)算方法，并對(duì)拖式與推式吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算。與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較表明，該方法可以較好地預(yù)報(bào)拖式及推式吊艙推進(jìn)器的定常水動(dòng)力性能，對(duì)于小舵角時(shí)操縱水動(dòng)力的預(yù)報(bào)也具有一定的精度。Szantyr2采用基于速度勢(shì)的面元法，建立了吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能計(jì)算模型。然后，應(yīng)用該模型對(duì)雙槳式吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，表明該方法對(duì)雙槳式吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能的計(jì)算有一定精度。Chicherin et al3應(yīng)用RANS求解器對(duì)吊艙和支架阻力預(yù)報(bào)的尺度效應(yīng)進(jìn)行了研究。他們對(duì)兩種類型的拖式吊艙推進(jìn)器(吊艙分別為流線型和鈍頭型)，分別進(jìn)行模型尺度和實(shí)船尺度的粘性流場(chǎng)計(jì)算，得到了不同進(jìn)速系數(shù)下吊艙和支架的阻力系數(shù)，討論了吊艙和支架阻力系數(shù)與雷諾數(shù)和進(jìn)速系數(shù)間的關(guān)系。Ohashi和Hino4應(yīng)用N-S求解器SURF和非結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)預(yù)報(bào)了對(duì)轉(zhuǎn)式吊艙推進(jìn)船舶的水動(dòng)力性能。首先，他們對(duì)單螺旋槳及對(duì)轉(zhuǎn)槳的敞水性能進(jìn)行了計(jì)算；然后，將吊艙和支架作為船體的尾附體，對(duì)船體繞流和阻力進(jìn)行了計(jì)算；最后，對(duì)帶對(duì)轉(zhuǎn)式吊艙推進(jìn)器船舶的自航工況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了討論。Streckwall et al5對(duì)采用吊艙推進(jìn)器的新型渡輪進(jìn)行了一系列完整的“數(shù)值拖曳水池”試驗(yàn)。該船型的推進(jìn)系統(tǒng)由兩部Siemens-Schottel SSP吊艙式推進(jìn)器組成，共4個(gè)螺旋槳。數(shù)值計(jì)算主要基于RANS求解器。首先，他們應(yīng)用RANS求解器對(duì)SSP的敞水性能進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較表明，敞水性能計(jì)算具有很好的精度；然后，在考慮波浪影響的條件下計(jì)算了裸船體繞流和阻力；最后采用三種不同的方法計(jì)算了帶吊艙推進(jìn)器的船體的繞流和阻力。在國內(nèi)，海軍裝備研究院與上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室合作，較早開展了吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能的理論計(jì)算及試驗(yàn)研究。馬騁等6,7,8基于已有的螺旋槳升力面法和無升力體面元法，建立了吊艙推進(jìn)器定常水動(dòng)力性能的勢(shì)流理論計(jì)算方法。在此基礎(chǔ)上，對(duì)拖式、推式及雙槳式吊艙推進(jìn)器分別進(jìn)行了計(jì)算和試驗(yàn)比較，并分析了吊艙在槳盤面處的誘導(dǎo)速度分布和螺旋槳載荷分布等的計(jì)算結(jié)果。與試驗(yàn)結(jié)果的比較表明，該方法可以較好地預(yù)報(bào)拖式及推式吊艙推進(jìn)器的定常水動(dòng)力性能。盛立和熊鷹9建立了混合式CRP吊艙推進(jìn)器數(shù)值模型并置于數(shù)值空泡水洞內(nèi), 結(jié)合RANS方程和SST k-湍流模型, 運(yùn)用滑移網(wǎng)格方法對(duì)混合式CRP吊艙推進(jìn)器在均勻流場(chǎng)中的水動(dòng)力性能進(jìn)行了數(shù)值模擬, 得到了敞水性能預(yù)報(bào)結(jié)果，并分析了混合式CRP推進(jìn)器的非定常力；同時(shí), 利用空泡水洞、吊艙動(dòng)力儀及長軸動(dòng)力儀對(duì)混合式CRP吊艙推進(jìn)器敞水性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。李巍等10采用CFD 方法對(duì)吊艙推進(jìn)器粘流水動(dòng)力問題進(jìn)行了數(shù)值研究。基于混合面方法，在均勻來流情況下，數(shù)值預(yù)報(bào)吊艙推進(jìn)器定常水動(dòng)力特性，獲得其推力系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)等水動(dòng)力性能參數(shù)。以單槳拖式吊艙推進(jìn)器為例，與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，獲得了很好的預(yù)報(bào)精度。胡健等11為了分析船體形狀對(duì)吊艙推進(jìn)器的影響，研究了船后伴流中吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能。船后伴流用計(jì)算流體力學(xué)方法進(jìn)行分析，吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能用面元法研究，吊艙和螺旋槳的相互影響用迭代方法求解，用蒙瑞諾解析公式計(jì)算螺旋槳和吊艙之間的誘導(dǎo)速度，結(jié)合船尾伴流的計(jì)算結(jié)果分析船尾伴流中吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能，并對(duì)船后不同位置吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能進(jìn)行了比較。參考文獻(xiàn)1 Achkinadze A S, Krasilnikov V I. A new velocity based BEM for analysis of non-cavitating and cavitating propellers and foilsJ. Oceanic Engineering International, 2003. 7(1): 33-47. 2 Szantyr J A. A surface panel method for hydrodynamic analysis of pod pro- pulsorsR. Gdansk, Poland: Gdansk University of Technology, 2001.3 Chicherin I A, Lobachev M P, Pustoshny A V, et al. On a propulsion prediction procedure for ships with podded propulsors using RANS-code analysisA. In: Atlar M, Clarke D, Glover E J, et al. eds. Proceedings of the first International Conference on Technological Advances in Podded PropulsionC. University of Newcastle, UK. 2004. Newcastle, UK. University of Newcastle, 2004. 223-233. 4 Ohashi K, Hino T. Numerical simulations of flows around a ship with podded propulsor A. In: Atlar M, Clarke D, Glover E J, et al. eds. Proceedings of the first International Conference on Technological Advances in Podded Propulsion C. University of Newcastle, UK. 2004. Newcastle, UK. University of New- castle, 2004: 211-221. 5 Streckwall H, Gatchell S, Tigges K. A complete numerical model for podded propulsionA. Proceedings of the 9th Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating StructuresC. Luebeck-Travemuende, Germany. 2004. Luebeck-Travemuende. Schiff-bautechnische Gesellschaft e. V. , 2004. 154: 1-6.6 馬騁，楊晨俊，錢正芳，等. 吊艙推進(jìn)器推進(jìn)性能預(yù)報(bào)理論研究 J. 華中 科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，32(3) : 29- 31.7 楊晨俊，錢正芳，馬騁. 吊艙對(duì)螺旋槳水動(dòng)力性能的影響J . 上海交通大 學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37 (8) : 1229-1233.8 馬騁. 吊艙推進(jìn)技術(shù)M. 上海交通大學(xué)出版社，2007.9 盛立，熊鷹. 混合CRP吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能數(shù)值模擬及試驗(yàn)J. 南京航 空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，44(2) : 184-190.10 李巍，汪蕾，楊晨俊，等. 吊艙推進(jìn)器定常水動(dòng)力性能J. 上海交通大學(xué) 學(xué)報(bào)，2009(2) : 204-207.11 胡健，黃勝，馬騁，等. 船后吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能研究J. 哈爾濱工 程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，29(3) : 217- 221.12 沈興榮，蔡躍進(jìn)，蔡榮泉，等. 吊艙式推進(jìn)器水動(dòng)力性能研究綜述J. 船 舶力學(xué)，2011(2) : 189-197.13 張慶文. 吊艙式CRP推進(jìn)系統(tǒng)發(fā)展及應(yīng)用前景J. 船海工程, 2007(2) : 57-60.14 廖慧清，魏海波，李祝清，等. 混合電力吊艙式推進(jìn)系統(tǒng) J. 船電技術(shù), 2006( 1) : 1-3.15 廖慧清，孫培廷，李祝清，等. 吊艙式混合電力推進(jìn)系統(tǒng)綜合性能評(píng)估J. 航海技術(shù)，2005(6) : 49-52.二、研究目標(biāo)、研究內(nèi)容、擬解決的關(guān)鍵問題1. 研究目標(biāo)(1) 探究吊艙推進(jìn)器的數(shù)值模擬方法；(2) 通過CFD模擬，研究混合式CRP吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能；(3) 將CFD模擬與相關(guān)模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)照，分析數(shù)據(jù)的可靠性。2研究內(nèi)容(1) 常規(guī)吊艙螺旋槳的水動(dòng)力性能研究對(duì)常規(guī)吊艙螺旋槳進(jìn)行建模與CFD計(jì)算，研究其水動(dòng)力性能。(2) 對(duì)轉(zhuǎn)槳(CRP)的水動(dòng)力性能研究對(duì)對(duì)轉(zhuǎn)槳進(jìn)行建模與CFD計(jì)算，研究其水動(dòng)力性能。(3) 混合式CRP吊艙推進(jìn)系統(tǒng)的水動(dòng)力性能研究熟悉CFD數(shù)值模擬的各種方法和各個(gè)湍流模式，選擇運(yùn)用最佳的湍流模式對(duì)混合式CRP吊艙推進(jìn)器進(jìn)行數(shù)值模擬，得到模型在流場(chǎng)中的詳細(xì)信息，分析該推進(jìn)器的水動(dòng)力性能。同時(shí)，通過試驗(yàn)得到推進(jìn)器的相關(guān)水動(dòng)力性能數(shù)據(jù)，并與CFD模擬的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。3擬解決的關(guān)鍵問題(1) 數(shù)值計(jì)算方法的選取混合式吊艙推進(jìn)器由兩個(gè)螺旋槳(主動(dòng)部分)和一個(gè)吊艙(被動(dòng)部分)組成，三者之間存在負(fù)載的相互作用，因此設(shè)計(jì)問題比推進(jìn)性能預(yù)報(bào)復(fù)雜得多。對(duì)轉(zhuǎn)槳設(shè)計(jì)必須準(zhǔn)確地把握前、后槳及其與船體之間的水動(dòng)力相互作用，因而比單槳設(shè)計(jì)難度更高。在研究吊艙推進(jìn)器的水動(dòng)力性能時(shí)，CFD方法可以分析復(fù)雜物體周圍的湍流流動(dòng)，是一種非常適用的工具。不過，基于不同的理論，吊艙推進(jìn)器的數(shù)值模擬有多種不同的計(jì)算方法，計(jì)算方法的合適選取與恰當(dāng)運(yùn)用將直接影響到模擬結(jié)果的可靠與準(zhǔn)確度。(2) CFD模擬中的網(wǎng)格劃分高質(zhì)量的網(wǎng)格，不僅能提高計(jì)算速度，更重要的是能得到更為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。對(duì)于混合式CRP吊艙推進(jìn)器，作出高質(zhì)量的網(wǎng)格劃分，將對(duì)后面的數(shù)值模擬非常重要。(3) 吊艙與船體間相互作用的處理由于這種推進(jìn)系統(tǒng)的復(fù)雜性，僅僅精確設(shè)計(jì)螺旋槳是不夠的，還需要準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)吊艙的影響和前、后槳及其與船體間的水動(dòng)力相互作用。三、擬采取的研究方法、技術(shù)路線1擬采取的研究方法(1) CFD數(shù)值模擬對(duì)于吊艙推進(jìn)器，水動(dòng)力性能的理論計(jì)算方法一般可分為兩種：基于勢(shì)流理論的計(jì)算方法和基于粘性流理論的計(jì)算方法。吊艙推進(jìn)器水動(dòng)力性能的勢(shì)流計(jì)算方法主要包括升力面法(Lifting Surface Method)和面元法(Panel Method)。升力面法目前仍是螺旋槳理論設(shè)計(jì)所采用的主要工具。隨著計(jì)算機(jī)速度和內(nèi)存的不斷提高和擴(kuò)大，為便于數(shù)值計(jì)算，離散的渦分布，即所謂渦格法(Vortex Lattice Method)，得到越來越廣泛的應(yīng)用。面元法源自邊界元方法(Boundary Element Method)，隨著計(jì)算機(jī)速度的迅速提高和內(nèi)存的增加，以它本身的特點(diǎn)越來越多地用于解決許多流體力學(xué)問題，目前已廣泛用在螺旋槳性能計(jì)算和空泡幾何形狀預(yù)報(bào)中。粘性流方法是指應(yīng)用RANS或N-S求解器，在粘性流場(chǎng)中對(duì)包括吊艙、螺旋槳等在內(nèi)的整個(gè)吊艙推進(jìn)器的繞流和水動(dòng)力進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。由于RANS方程或N-S方程考慮了流體的粘性影響，因此對(duì)于因粘性而產(chǎn)生的表面邊界層的生成、發(fā)展與分離，槳葉梢渦的形成，推進(jìn)器尾流場(chǎng)的結(jié)構(gòu)，以及推進(jìn)器的尺度效應(yīng)等都有可能進(jìn)行預(yù)報(bào)。與勢(shì)流方法相比，粘性流方法在物理概念上更為完整。但是，粘性流計(jì)算往往會(huì)耗費(fèi)大量的時(shí)間和資源，而且從實(shí)際應(yīng)用來看，粘性流計(jì)算對(duì)網(wǎng)格劃分、湍流模型及邊界條件的處理等相當(dāng)敏感。推進(jìn)器的粘性流計(jì)算的主要難點(diǎn)在于對(duì)旋轉(zhuǎn)中的螺旋槳的處理。目前主要有三種方法，即鼓動(dòng)盤方法、體積力方法和滑動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)。前兩種方法屬于簡化方法，把螺旋槳對(duì)船體、吊艙和支架的繞流的影響作為鼓動(dòng)盤(壓力或速度跳躍)，或?qū)⒈P面上的體積力引入船體、吊艙和支架的RANS方程，螺旋槳的水動(dòng)力則一般應(yīng)用勢(shì)流方法計(jì)算，兩者的相互作用由迭代法解決。而采用滑動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)則可以直接處理湍流中的螺旋槳。(2) 模型試驗(yàn)從試驗(yàn)方法上看，吊艙推進(jìn)器的推進(jìn)試驗(yàn)?zāi)壳翱煞譃閮深?。一類是將螺旋槳作為單?dú)的推進(jìn)單元，而把吊艙和支架等作為尾部附體，看作船體的一部分。采用這種方法進(jìn)行實(shí)船預(yù)報(bào)，需要進(jìn)行螺旋槳的敞水試驗(yàn)、帶尾附體(指吊艙推進(jìn)器不含螺旋槳的其它部分)的船體阻力試驗(yàn)及帶整個(gè)吊艙推進(jìn)器的自航試驗(yàn)。這種方法由于沒有考慮螺旋槳和吊艙之間強(qiáng)烈的水動(dòng)力相互作用，因而不能準(zhǔn)確地確定船身效率和相對(duì)旋轉(zhuǎn)效率。另一類則是將包括螺旋槳、吊艙、支架、鰭在內(nèi)的整個(gè)推進(jìn)器作為一個(gè)獨(dú)立的推進(jìn)單元。采用該種方法，需要進(jìn)行吊艙推進(jìn)器的敞水性能試驗(yàn)、裸船體阻力試驗(yàn)及帶吊艙推進(jìn)器的自航試驗(yàn)。兩種方法比較而言，后一種方法由于考慮了吊艙與螺旋槳之間的水動(dòng)力干擾，因此具有更好的預(yù)報(bào)精度。2技術(shù)路線(1) 網(wǎng)格劃分本文將主要采用CFD數(shù)值模擬方法。在進(jìn)行CFD數(shù)值計(jì)算時(shí)，需要對(duì)空間上連續(xù)的區(qū)域進(jìn)行離散化。目前常用的離散方法主要有：有限差分法、有限元法和有限體積法。其中在計(jì)算流體力學(xué)相關(guān)軟件中，有限體積法應(yīng)用比較廣泛，它又稱為控制體積法。本文擬應(yīng)用的FLUENT流體計(jì)算軟件采用的就是有限體積法，它的基本思路是：將計(jì)算區(qū)域劃