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一、課題的來源、目的、意義，國內外研究現狀分析1. 課題的來源、目的、意義近年來，由于特種推進器在提高船舶推進效率、減少艦船振動以及降低噪聲、節(jié)省燃油消耗等方面發(fā)揮了巨大的優(yōu)勢，已越來越為國內外研究機構和學者所重視。不少新的推進形式相繼出現，一系列相關的理論和試驗研究也相繼展開。吊艙推進器(Podded Propulsor)是目前受到世界造船業(yè)廣泛關注的一種新型推進裝置。它在八十年代末期首先被應用于工程作業(yè)船，隨后被應用于大型郵輪、客滾船、高速集裝箱船等許多類型的船舶。吊艙式推進的優(yōu)點很多，例如，它大大增加了船舶設計的靈活性、可以提高有效載荷及艙容利用率，提高推進效率、改善振動與噪聲性能，降低推進系統(tǒng)安裝與維護成本，提高可靠性等。其中，CRP(Contra Rotor Propulsion)吊艙推進系統(tǒng)應用前景廣闊。在該種推進形式中，傳統(tǒng)軸推進槳與吊艙推進器螺旋槳相對反轉運行，由于軸推進槳的能量損耗在吊艙得到回收，因而可提高推進效率10%到15%. 該種推進系統(tǒng)綜合了吊艙式推進器和對轉螺旋槳的優(yōu)點，除了具有很高的螺旋槳推進效率、良好的操作性能和空泡性能、節(jié)能等特點外，還具備可靠性高、空間體積小、機械結構相對簡單、機動性和靈活性好等優(yōu)點，解決了單槳推進功率冗余不夠、雙槳推進造價昂貴的問題。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功率已達到當今世界上最好的低速柴油機或渦輪機的功率極限。因此采用混合式吊艙推進來降低單機功率需求，對單槳及雙槳船來說都是一種好的解決方案?；旌鲜降跖撏七M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，通過將推進載荷分配給兩個螺旋槳，船舶的推進效率可以得到有效提高。2. 國內外研究現狀分析吊艙推進系統(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系統(tǒng)，不過國內外很多學者已陸續(xù)開展了各種研究，取得了許多成果。Achkinadze et al1以改進的基于速度的面元法為基礎，建立了吊艙推進器的水動力性能計算方法，并對拖式與推式吊艙推進器的水動力進行了數值計算。與試驗數據的比較表明，該方法可以較好地預報拖式及推式吊艙推進器的定常水動力性能，對于小舵角時操縱水動力的預報也具有一定的精度。Szantyr2采用基于速度勢的面元法，建立了吊艙推進器的水動力性能計算模型。然后，應用該模型對雙槳式吊艙推進器的水動力性能進行了數值計算，并與試驗結果進行了比較，表明該方法對雙槳式吊艙推進器水動力性能的計算有一定精度。Chicherin et al3應用RANS求解器對吊艙和支架阻力預報的尺度效應進行了研究。他們對兩種類型的拖式吊艙推進器(吊艙分別為流線型和鈍頭型)，分別進行模型尺度和實船尺度的粘性流場計算，得到了不同進速系數下吊艙和支架的阻力系數，討論了吊艙和支架阻力系數與雷諾數和進速系數間的關系。Ohashi和Hino4應用N-S求解器SURF和非結構網絡技術預報了對轉式吊艙推進船舶的水動力性能。首先，他們對單螺旋槳及對轉槳的敞水性能進行了計算；然后，將吊艙和支架作為船體的尾附體，對船體繞流和阻力進行了計算；最后，對帶對轉式吊艙推進器船舶的自航工況進行了數值計算，并對計算結果進行了討論。Streckwall et al5對采用吊艙推進器的新型渡輪進行了一系列完整的“數值拖曳水池”試驗。該船型的推進系統(tǒng)由兩部Siemens-Schottel SSP吊艙式推進器組成，共4個螺旋槳。數值計算主要基于RANS求解器。首先，他們應用RANS求解器對SSP的敞水性能進行了數值計算，計算結果與試驗數據的比較表明，敞水性能計算具有很好的精度；然后，在考慮波浪影響的條件下計算了裸船體繞流和阻力；最后采用三種不同的方法計算了帶吊艙推進器的船體的繞流和阻力。在國內，海軍裝備研究院與上海交通大學海洋工程國家重點實驗室合作，較早開展了吊艙推進器水動力性能的理論計算及試驗研究。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，建立了吊艙推進器定常水動力性能的勢流理論計算方法。在此基礎上，對拖式、推式及雙槳式吊艙推進器分別進行了計算和試驗比較，并分析了吊艙在槳盤面處的誘導速度分布和螺旋槳載荷分布等的計算結果。與試驗結果的比較表明，該方法可以較好地預報拖式及推式吊艙推進器的定常水動力性能。盛立和熊鷹9建立了混合式CRP吊艙推進器數值模型并置于數值空泡水洞內, 結合RANS方程和SST k-湍流模型, 運用滑移網格方法對混合式CRP吊艙推進器在均勻流場中的水動力性能進行了數值模擬, 得到了敞水性能預報結果，并分析了混合式CRP推進器的非定常力；同時, 利用空泡水洞、吊艙動力儀及長軸動力儀對混合式CRP吊艙推進器敞水性能進行了試驗研究。李巍等10采用CFD 方法對吊艙推進器粘流水動力問題進行了數值研究?；诨旌厦娣椒?，在均勻來流情況下，數值預報吊艙推進器定常水動力特性，獲得其推力系數、轉矩系數等水動力性能參數。以單槳拖式吊艙推進器為例，與試驗結果對比，獲得了很好的預報精度。胡健等11為了分析船體形狀對吊艙推進器的影響，研究了船后伴流中吊艙推進器的水動力性能。船后伴流用計算流體力學方法進行分析，吊艙推進器的水動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算螺旋槳和吊艙之間的誘導速度，結合船尾伴流的計算結果分析船尾伴流中吊艙推進器的水動力性能，并對船后不同位置吊艙推進器的水動力性能進行了比較。參考文獻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. 吊艙推進器推進性能預報理論研究 J. 華中 科技大學學報，2004，32(3) : 29- 31.7 楊晨俊，錢正芳，馬騁. 吊艙對螺旋槳水動力性能的影響J . 上海交通大 學學報，2003，37 (8) : 1229-1233.8 馬騁. 吊艙推進技術M. 上海交通大學出版社，2007.9 盛立，熊鷹. 混合CRP吊艙推進器水動力性能數值模擬及試驗J. 南京航 空航天大學學報，2012，44(2) : 184-190.10 李巍，汪蕾，楊晨俊，等. 吊艙推進器定常水動力性能J. 上海交通大學 學報，2009(2) : 204-207.11 胡健，黃勝，馬騁，等. 船后吊艙推進器的水動力性能研究J. 哈爾濱工 程大學學報，2008，29(3) : 217- 221.12 沈興榮，蔡躍進，蔡榮泉，等. 吊艙式推進器水動力性能研究綜述J. 船 舶力學，2011(2) : 189-197.13 張慶文. 吊艙式CRP推進系統(tǒng)發(fā)展及應用前景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系統(tǒng) J. 船電技術, 2006( 1) : 1-3.15 廖慧清，孫培廷，李祝清，等. 吊艙式混合電力推進系統(tǒng)綜合性能評估J. 航海技術，2005(6) : 49-52.二、研究目標、研究內容、擬解決的關鍵問題1. 研究目標(1) 探究吊艙推進器的數值模擬方法；(2) 通過CFD模擬，研究混合式CRP吊艙推進器的水動力性能；(3) 將CFD模擬與相關模型試驗數據進行對照，分析數據的可靠性。2研究內容(1) 常規(guī)吊艙螺旋槳的水動力性能研究對常規(guī)吊艙螺旋槳進行建模與CFD計算，研究其水動力性能。(2) 對轉槳(CRP)的水動力性能研究對對轉槳進行建模與CFD計算，研究其水動力性能。(3) 混合式CRP吊艙推進系統(tǒng)的水動力性能研究熟悉CFD數值模擬的各種方法和各個湍流模式，選擇運用最佳的湍流模式對混合式CRP吊艙推進器進行數值模擬，得到模型在流場中的詳細信息，分析該推進器的水動力性能。同時，通過試驗得到推進器的相關水動力性能數據，并與CFD模擬的結果進行對比分析。3擬解決的關鍵問題(1) 數值計算方法的選取混合式吊艙推進器由兩個螺旋槳(主動部分)和一個吊艙(被動部分)組成，三者之間存在負載的相互作用，因此設計問題比推進性能預報復雜得多。對轉槳設計必須準確地把握前、后槳及其與船體之間的水動力相互作用，因而比單槳設計難度更高。在研究吊艙推進器的水動力性能時，CFD方法可以分析復雜物體周圍的湍流流動，是一種非常適用的工具。不過，基于不同的理論，吊艙推進器的數值模擬有多種不同的計算方法，計算方法的合適選取與恰當運用將直接影響到模擬結果的可靠與準確度。(2) CFD模擬中的網格劃分高質量的網格，不僅能提高計算速度，更重要的是能得到更為準確的計算結果。對于混合式CRP吊艙推進器，作出高質量的網格劃分，將對后面的數值模擬非常重要。(3) 吊艙與船體間相互作用的處理由于這種推進系統(tǒng)的復雜性，僅僅精確設計螺旋槳是不夠的，還需要準確地預測吊艙的影響和前、后槳及其與船體間的水動力相互作用。三、擬采取的研究方法、技術路線1擬采取的研究方法(1) CFD數值模擬對于吊艙推進器，水動力性能的理論計算方法一般可分為兩種：基于勢流理論的計算方法和基于粘性流理論的計算方法。吊艙推進器水動力性能的勢流計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計所采用的主要工具。隨著計算機速度和內存的不斷提高和擴大，為便于數值計算，離散的渦分布，即所謂渦格法(Vortex Lattice Method)，得到越來越廣泛的應用。面元法源自邊界元方法(Boundary Element Method)，隨著計算機速度的迅速提高和內存的增加，以它本身的特點越來越多地用于解決許多流體力學問題，目前已廣泛用在螺旋槳性能計算和空泡幾何形狀預報中。粘性流方法是指應用RANS或N-S求解器，在粘性流場中對包括吊艙、螺旋槳等在內的整個吊艙推進器的繞流和水動力進行數值計算。由于RANS方程或N-S方程考慮了流體的粘性影響，因此對于因粘性而產生的表面邊界層的生成、發(fā)展與分離，槳葉梢渦的形成，推進器尾流場的結構，以及推進器的尺度效應等都有可能進行預報。與勢流方法相比，粘性流方法在物理概念上更為完整。但是，粘性流計算往往會耗費大量的時間和資源，而且從實際應用來看，粘性流計算對網格劃分、湍流模型及邊界條件的處理等相當敏感。推進器的粘性流計算的主要難點在于對旋轉中的螺旋槳的處理。目前主要有三種方法，即鼓動盤方法、體積力方法和滑動網格技術。前兩種方法屬于簡化方法，把螺旋槳對船體、吊艙和支架的繞流的影響作為鼓動盤(壓力或速度跳躍)，或將盤面上的體積力引入船體、吊艙和支架的RANS方程，螺旋槳的水動力則一般應用勢流方法計算，兩者的相互作用由迭代法解決。而采用滑動網格技術則可以直接處理湍流中的螺旋槳。(2) 模型試驗從試驗方法上看，吊艙推進器的推進試驗目前可分為兩類。一類是將螺旋槳作為單獨的推進單元，而把吊艙和支架等作為尾部附體，看作船體的一部分。采用這種方法進行實船預報，需要進行螺旋槳的敞水試驗、帶尾附體(指吊艙推進器不含螺旋槳的其它部分)的船體阻力試驗及帶整個吊艙推進器的自航試驗。這種方法由于沒有考慮螺旋槳和吊艙之間強烈的水動力相互作用，因而不能準確地確定船身效率和相對旋轉效率。另一類則是將包括螺旋槳、吊艙、支架、鰭在內的整個推進器作為一個獨立的推進單元。采用該種方法，需要進行吊艙推進器的敞水性能試驗、裸船體阻力試驗及帶吊艙推進器的自航試驗。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力干擾，因此具有更好的預報精度。2技術路線(1) 網格劃分本文將主要采用CFD數值模擬方法。在進行CFD數值計算時，需要對空間上連續(xù)的區(qū)域進行離散化。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。其中在計算流體力學相關軟件中，有限體積法應用比較廣泛，它又稱為控制體積法。本文擬應用的FLUENT流體計算軟件采用的就是有限體積法，它的基本思路是：將計算區(qū)域劃