圆弧型风帆的气动优化及双帆干扰研究

发布时间：2017-09-17 10:12

  本文关键词：圆弧型风帆的气动优化及双帆干扰研究

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【摘要】：随着全球能源危机和空气污染的日益严重,利用风帆辅助船舶航行的方法,以其可持续发展,绿色环保等优点获得了航运界和船舶工业的广泛关注。优化风帆的空气动力学特性,进一步提高风帆利用风能的效益是风帆研究的重点之一本文对普通圆弧型风帆进行了结构调整,使之成为双圆弧型风帆,通过计算流体力学(CFD),采用控制变量法,分析了影响其空气动力学性能的相关参数,依据最大推力系数原则得到了优化的最终模型,并对该模型进行了双帆干扰研究。首先,通过查阅风帆应用的相关资料,分析了不同种类风帆的优缺点,最终选用传统单圆弧型风帆作为优化对象,改变其结构形式,定义其结构参数；并选用某散货轮作为目标船舶,对优化对象进行了主尺度的设计。然后,对数值建模过程中的湍流模型、壁面处理、边界条件、离散方式等影响计算结果的因数进行了比较研究,得到了适合本文模型求解的参数设置。在CFD软件中,采用控制变量法,分别对双圆弧型风帆的外拱和内拱的拱度比进行了研究,得到了它们对双圆弧型风帆气动特性的影响规律。基于最大推力系数原则,选择最终的优化模型为双圆弧型风帆0.5-0.35,其较普通单圆弧型风帆-0.16的最大升力系数提高50%左右,最大推力系数最大提高约67%。对该风帆实际工作中的迎风偏差和船舶侧倾造成的推力减额进行了定量计算。最后,对优化后的模型,进行了双帆干扰研究,主要研究了影响双帆干扰的来流方向和双帆帆距的两个因数。结果显示双帆的侧向逆风性能较好,侧向顺风性能较差,完全顺风时性能最差；双帆的帆距在大于3倍弦长时,其相互干扰较弱,侧向顺风还可能出现有利干扰；数值计算得到了帆距为4倍时候的双帆同步控制特性曲线,并针对其完全顺风条件下(最不利干扰)的“Z字形航线优化”进行了定量计算,结果显示,小范围的偏航角可以提高双帆利用风能的效益。
【关键词】：风帆助航 圆弧型风帆 CFD 气动优化 双帆干扰
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U661;U664.31
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-11
• 第1章 绪论11-23
• 1.1 研究背景11-12
• 1.2 国内外研究现状12-20
• 1.2.1 国外研究现状12-18
• 1.2.2 国内研究现状18-20
• 1.3 论文研究目的及意义20-21
• 1.4 论文主要工作21-23
• 第2章 双圆弧型帆的总体设计23-36
• 2.1 船用风帆的应用要求23
• 2.2 不同类型风帆的对比23-26
• 2.2.1 矩型翼帆23-24
• 2.2.2 转筒帆24-25
• 2.2.3 抽气式涡轮帆25
• 2.2.4 天帆25-26
• 2.3 单圆弧型帆的改进及收帆方式设计26-28
• 2.3.1 单、双圆弧型帆外型参数的定义26-27
• 2.3.2 双圆弧型帆收帆方式的设计27-28
• 2.4 风帆空气动力学特性28-31
• 2.4.1 风帆空气动力学原理28-29
• 2.4.2 风帆空气动力学参数定义29-31
• 2.5 主尺度设计31-35
• 2.5.1 展弦比31-32
• 2.5.2 选取目标船32-35
• 2.6 本章小结35-36
• 第3章 双圆弧型帆空气动力学性能数值建模36-48
• 3.1 控制方程36-37
• 3.2 湍流模型37-42
• 3.2.1 湍流模型的近壁面处理38-40
• 3.2.2 湍流模型的选择40-42
• 3.3 边界条件42-43
• 3.4 数值离散43-46
• 3.4.1 控制方程的离散化44
• 3.4.2 计算区域的离散44-46
• 3.5 时间步长46
• 3.6 本章小结46-48
• 第4章 双圆弧型帆的气动力学及推力系数优化48-65
• 4.1 双圆弧型帆气动力学优化48-53
• 4.1.1 外拱拱度比的影响48-51
• 4.1.2 内拱拱度比的影响51-53
• 4.2 推力系数优化53-58
• 4.2.1 外拱拱度比的影响53-56
• 4.2.2 内拱拱度比的影响56-58
• 4.3 优化参数的选择58-59
• 4.4 风洞试验59-62
• 4.5 工作中迎风偏差及侧倾影响62-63
• 4.5.1 迎风偏差对风帆的影响62-63
• 4.5.2 侧倾对风帆的影响63
• 4.6 本章小结63-65
• 第5章 双圆弧型帆的双帆干扰研究65-74
• 5.1 相对风向对双帆干扰的影响65-68
• 5.2 帆距对双帆干扰的影响68-69
• 5.3 确定帆距下的控制特性及航向优化69-72
• 5.3.1 帆距L/C为4时的控制特性69-70
• 5.3.2 完全顺风条件下的航线优化70-72
• 5.4 本章小结72-74
• 第6章 结论与展望74-77
• 6.1 结论74-75
• 6.2 展望75-77
• 参考文献77-81
• 攻读学位期间公开发表论文81-82
• 致谢82-83
• 作者简介83

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