船桨与自由状态冰耦合作用的数值仿真研究

发布时间：2020-05-30 11:53

【摘要】：船舶在碎冰区域航行一直是目前研究中的重点问题,而其中的冰桨相互干扰又一直是研究中的重点。当碎冰体积较大时,运动的碎冰会沿船体侧向或者尾部滑行到螺旋桨周围影响螺旋桨周围的流场,进而影响螺旋桨的水动力性能,并且这种影响会随着时间的变化而变化;当冰桨发生接触碰撞时,螺旋桨受到很大的影响。目前来说使用试验或者理论的方法解决冰桨相互干扰的模拟需要大量的人力物力,而且由于其耦合作用机理较为复杂,在试验或理论分析上都有很大的困难。随着CFD技术的不断完善和成熟,计算仿真的方法日益成为解决模拟冰桨相互干扰问题的强有力工具之一。首先,选用ICEPROPELLER螺旋桨和某型船体为主要的研究对象,使用STAR-CCM+软件作为主要的研究工具。使用重叠网格方法并选用RANS模型,计算了不同进速下ICEPROPELLER桨的推力曲线和扭矩曲线,并将计算结果与模型试验进行了对比分析,从而验证本文计算方法的正确性与合理性。选用ICEPROPELLER桨与特定形状冰块,开展冰桨水动力相互干扰的计算仿真研究。使用重叠网格对冰块的外运动域和螺旋桨的旋转域进行建模,将冰块放于螺旋桨正前方一定位置并计算一定时间后再将冰块释放,变化冰块的大小、进速、冰块初始释放轴向位置和径向位置等参数。通过变化这些参数我们可以发现在桨的抽吸作用下冰块以轴向运动为主;冰块后方会存在“加速区”和“阻塞区”,对螺旋桨的水动力性能产生较大的影响。某型破冰船作为最新下水的破冰船,弥补了我国在破冰船设计建造上的多项空白。本文建立了碎冰区域航行的某型破冰船的模型,并计算了不同航速和碎冰密集度下船体总阻力的变化,低航速时,密集度的增加对总阻力的影响非常明显,而高航速下总阻力的增加受密集度影响不大。本文初步探索了某型破冰船船桨一体情况下在碎冰区域航行的问题,通过给予螺旋桨不同的转速,分析螺旋桨转速对船体周围以及艉部碎冰的分布规律。同时进行了某型破冰船船桨一体在碎冰区域倒车时的运动模拟,得到了在碎冰航行时冰桨接触碰撞的时域曲线。
【图文】：

１．２研究的目的与意义逡逑目前受到资源枯竭与页岩气开发的影响，人们将注意力逐渐转移到极地的资源开中，从２００８年左右开始，全球的破冰船订单量呈现逐渐增加的趋势。在破冰船的航过程中，冰区推进器为稳定破冰航行起到了保驾护航的作用，所以推进系统的重要言而喻。逡逑冰区船舶航行过程中工况较为复杂，且所处的环境较为恶劣。冰区船舶破冰航行程中船舶的姿态会产生较大的升沉，故螺旋桨所受的载荷与常规螺旋桨差异较大［８］。且在冲撞式破冰过程中，船体需要间歇性的往复推力帮助其破冰，因此这对推进器设计提出了较为严苛的挑战。除此以外，冰区航行的船舶不可避免地会发生碎冰沿船表面流动的现象，在这种情况下碎冰较容易由于螺旋桨抽吸作用与螺旋桨发生碰撞。冰块运动过程中，阻塞作用下螺旋桨的水动力性能会受到很大的影响，这种机理目前有待研宄。逡逑，业逐，于器已经

力以及涡等，通过这些物理量又可以求出一些例如力和力矩等。目前计算流体力学、理逡逑论流体力学和试验流体力学为研究流体力学提供了目前来说最为完善的解决办法，三者逡逑的关系如图２．１所示逡逑Ｖｖ逡逑图２．１流体力学各个分支关系图逡逑理论流体力学的结果具有普适性，影响因素可见的优点，在流体力学问题研究中，逡逑往往是先开展理论分析，但是理论流体力学对于复杂三维问题的求解较为困难。试验流逡逑体力学所得结果简单可信，，是指导流体力学研宄的重要手段，但是试验往往需要投入大逡逑量的时间和精力，而且还存在一定的限制因素。ＣＦＤ方法的限制较小，在计算机或服务逡逑器上能实现对复杂问题的模拟，通过计算机成像技术，将结果反映出来，并且所经历的逡逑１１逡逑
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U661.3;U674.21

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本文编号：2688093