船舶附加水动力节能装置节能效果尺度效应研究

发布时间：2020-04-05 16:44

【摘要】：提高能量转化效率对于现今运输行业来说是一个刚需。从这方面来说,船舶推进器在海洋运输中扮演了一个非常关键的角色,因为它是决定船舶总体推进效率关键单元,提升船舶推进器的推进效率是减少燃油消耗和CO_2排放的良好途径。在提升船舶推进效率的途径中,船舶附加水动力节能装置以安装方便、不影响总布置、节能效果好、回收成本快等优势,深受广大船东喜爱。但是因为水池模型试验存在尺度效应,现今并没有一个很好的换算方法能准确预报带有节能装置的船舶快速性,所以其真实节能效果也被船东所怀疑。本文对两种典型的节能装置(导流鳍和舵附推力鳍)进行船舶快速性能研究,采用雷诺相似理论,获得实船雷诺数下的节能装置真实节能效果,同时采用试验方法和数值模拟分析了3个不同尺度的带有节能装置的船舶模型的快速性能,通过不同的换算方法分析节能装置的尺度效应问题,并比较了各种换算方法预报结果的差异。本文主要工作如下:对试验模型、试验工况、试验过程和试验设备进行了说明;对数值计算所采用的理论方法进行简单描述,介绍了计算模型,通过分析计算得到的阻力、螺旋桨推力和扭矩以及输出的波形和流场图验证了本文所采用普通数值计算模型的正确性。通过推导快速性试验的相似理论获得本文所采用的数值计算换算方法(实船雷诺数数值计算);对两种常见的船舶快速性换算方法,以及MARIC方法进行了详细阐述;同时通过分析ITTC1978年方法的假定与涉及尺度效应的物理参数,获得本文所采用的换算方法。通过改变流体的运动粘性系数,使得模型和实船具有相同的雷诺数,这样的情况下模型是没有尺度效应的。对实船雷诺数数值计算进行了详细验证,分析了不同尺度下模型的阻力、流场等精细参数,证明了实船雷诺数数值计算适用于模型阻力和自航试验模拟。然后采用实船雷诺数模拟对裸船体、带有导流鳍以及带有舵附推力鳍的船体进行了阻力和自航模拟,通过流场等物理量分析了这些节能装置的节能机理,并得到了节能装置的实船节能效果:本文的导流鳍节能效果在5.45%左右,舵附推力鳍节能效果在1.81%左右。进行了3个不同尺度的模型试验,包括模型阻力试验,螺旋桨敞水试验以及模型自航试验,同时在这些试验船体模型上加装了船舶水动力节能装置:导流鳍和舵附推力鳍。同时进行了精细流场测量试验,获得带与不带节能装置的船体和螺旋桨的精细流场,分析节能装置的节能机理,同时通过试验结果分析尺度效应产生的原因,并采取3种不同换算方法对结果进行换算,结果表明本文提出的换算方法能有效的减小预报结果的尺度效应。介绍了波浪中船舶快速性预报方法,进行了3个不同尺度波浪中带有节能装置的船舶快速性试验,分别分析了导流鳍和舵附推力鳍在波浪中的节能效果;同时进行了带有组合节能装置的静水中和波浪中的船舶快速性试验,分析了组合节能装置在静水中的节能机理和节能效果,并尝试将本文提出的方法应用于波浪中带有节能装置的船舶快速性预报中。结果表明本文提出的方法能一定程度的减小波浪中带有节能装置的船舶快速性预报的尺度效应。
【图文】：

图 1.1 导流鳍Fig 1.1 Pre-Swirl Stator不必要的能量损失，Kim 等[45]为某一 160K LNG 船设计了不对了两种形式的导流鳍：横截剖面一致的（CPAS）和横截剖面变化的（（势流理论和粘流计算）以及模型试验，选取了节能效果更好的方法采用了两种方式，ITTC1978 方法和 ITTC1999 方法，这两种不一样的，ITTC1978 得到的结果为：CPAS 为 3.08%，VPAS 为到的结果为：CPAS 为 5.96，VPAS 为 8.13%。结果也在一定程度在。鳍研究始见于 80 年代末上海船舶设计院[46]，应广州海运局要求散货船设计了导流鳍，试验研究表明导流鳍可以取得 2.74%-4.55%段 708 所进行了节能装置研发[47]，其中就包括桨前整流鳍，其形

凌乃俊[51]等首先确定导流鳍各个叶片的设计环量，然后通过比较完善的升力线理论来对导流鳍进行设计，一共设置了 6 种总设计环量加权因子，当加权因子大于 0.77 时，叶片开始产生阻力，小于 0.77 时阻力变化并不明显，最终采用加权因子为 0.77，此时节能效果为 2.64%，而试验时的结果比设计时还要好，，达到 4.54%。1.2.2 舵附推力鳍国内外研究进展舵附推力鳍（Thrust Fin）是安装在舵中间的一对水平翼（鳍片）组成，水平翼各有一定的迎流角，见图 1.2，主要节能原理是：1、产生附加推力；2、可以使螺旋桨周向绕流减少，相当于回收尾流中因旋转而损失的能量[52-58]。1983 年日本 IHI 株式会社（石川岛播磨重工业株式会社）首先研制出舵附推力鳍[59;60]，第一个舵附推力鳍被安装在一艘 238400DWT 油轮上，之前进行了理论计算与模型试验，这些研究用来确定最佳的安装位置与尺寸。为了保证舵附推力鳍的强度，在静水中和波浪中都进行了精心地测试，研究了波浪载荷与影响力，通过受迫振荡试验以及耐波性试验确定了波浪载荷。安装在实船上的最终节能效果可达 4%-5%。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U664.1

【参考文献】

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本文编号：2615262