拖网渔船推进装置水动力性能研究

发布时间：2017-01-05 08:20

第一章  绪   论

1.1  研究目的与意义
自 20 世纪 80 年代，我国一直致力发展海洋装备现代化，渔船装备机械化大幅度提升，然而由于海洋捕捞渔船基数大，船-机-桨匹配不合理现在依旧普遍存在（有关部门数据表明[1-2]，不匹配率高达 40%）。船-机-桨匹配不合理现象不仅会影响渔业船舶作业时的工作效率，增加单位产量的能量消耗，还会制约现在渔业现代化生产的发展，甚至有时还会对渔业从业者的人生安全带来损害。 近年随着国家在各行业和领域号召节能减排，渔船节能技术研究也越受重视，器关注的焦点主要在动力机械与渔船整船性能方面[3]：动力机械方面，主要研究措施是通过改善渔船柴油机的主机效率，降低单位功率的燃油量；二、渔船整船性能方面，主要包括船型优化，提高渔船推进装置推进效率，渔船船体、螺旋桨推进装置、方向舵三者的间的优化匹[4-6]配三方面。 船型性能优化则主要通过优化船体型线，减少渔船航行过程中产生的阻力，但船型型线优化经常受到其他方面因素的制约，例如渔船本身特点以及例如作业方式、经济效益等因素。 渔船船体、螺旋桨推进装置、方向舵三者间的匹配优化，首先需对渔船船体与螺旋桨推进装置以及方向舵三者间的干扰特性进行研究，根据研究得到的干扰机理进一步针对性的分别对渔船船体、或者螺旋桨开展优化工作，以优化两者的匹配效果作为最终的目标，显然开展该项研究通常需要进行大量的实验研究。 显然，提高螺旋桨推进效率方面的研究则主要集中在低转速桨与非常规高效桨两个方向。改造船用螺旋桨提高推进效率是目前见效最快的途径，目前部分拖网渔船开始尝试使用导管螺旋桨替换普通桨。 螺旋桨因其结构简单，安装方便等特点是目前最为常见的渔船推进装置，相比而言导管螺旋桨较为特殊，运行过程中承受较大载荷工况下依然能够保持较高的推进效率。它的结构特点即是在常规使用的螺旋桨外侧另外加装圆形套筒，常见的纵剖面形状有机翼型或者折角线型，该套筒结构则称之为导管[7]。加装导管不仅对能提高螺旋桨前方来流的稳定性，同时还对船尾型线变化带来的流场进行整流，进而改善渔船航行过程的稳定性。除此之外，导管能有效隔绝外界流场对导管内部螺旋桨的影响，降低外流场波动对于螺旋桨转矩的影响。不仅如此，由于导管包围的作用，，螺旋桨背有效的与外界隔开，避免外物的吸入触碰桨叶导致桨叶受损。目前，如拖船、港口顶推船、海洋渔船采用导管桨为其推进装置，同时其表现出受外界航行海况影响小、航向稳定性高等特点，部分商用船也开始加大导管桨的应用。 
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1.2  导管螺旋桨国内外研究现状
相比普通常规螺旋桨，导管桨的研究工作起步稍晚，约在 1930 年前后。科特（Kort）首先于 1934 年对外发表关于导管螺旋桨方面的专利说明，不过那时德国方面已经对对导管桨进行较为广泛的研究。伴随各界对于螺旋桨的深入研究，导管螺旋桨的研究也得到了长足的发展。在导管桨研究的初始阶段，Caster[8]、Morgan[9]和 Dyne[10]等在研究导管桨时将螺旋桨桨叶以鼓动盘简化，导管则运用均匀分布圆周上的一列的奇点来表示导管的载荷和厚度，同时来流运动也被简化为轴对称问题，这种方法实质是将导管进行线性化处理。Gibson 和 Lewis[11]、Glover 和 Ryan[12]等则是在上述分析假设基础上将导管的奇点系布置于实际导管外表面，进行深入研究。Van Houlton[13]考虑导管和桨叶几何形状，采用实际的导管和螺旋桨桨叶进行研究分析，同时分析时采用非对称流动替代前人研究时采用的对称流。 1981 年 Yussa[14]利用升力面法分别采用直接干扰和间接干扰两种模型对导管桨的水动力性能进行预报，得出的结论是直接干扰方法能有效节省时间，但计算精度较间接计算有一定差距。Valarezo[15]在其研究中运用基于速度势的低阶面元法来同时求解螺旋桨和导管。日本的 Kawakita[16]求解导管和螺旋桨时，运用双曲四边形面元，同时在涉及导管螺旋桨部分分析首次引入一种尾涡模型。 美国麻省理工的 Kinas、Ker  win、J.T.Lee 等[17]在 1987 年对外发布导管螺旋桨研究方面的成果，他们采用面元法对导管螺旋桨水动力性能进行预报，螺旋桨与导管间的干扰采用迭代方法去逼近，导管分析方面则是基于速度势的低阶面元法进行处理，螺旋桨则是选用涡格升力面法求解。同时它们提到普遍试用航空方面的 Morino 条件会造成螺旋桨分析的误差，对此需要将随边上、下表面进行等压处理来满足 Kutta 条件，计算结果获得较高的计算精度。此法即随后较广泛应用的等压 Kutta 条件。 
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第二章  CFD 数值模拟的基本理论 

船用螺旋桨水动力性能的研究方法除了实验研究方法外，还有升力线、升力面、面元法和 CFD 数值模拟方法进行研究。升力线理论是将桨叶用一根从叶根到叶梢的升力线来替代表示，用二位翼型剖面的水动力性能的叠加，得到推力和扭矩。升力面理论依据薄翼理论建立，该方法在分析桨叶剖面压力分布时会出现一定误差，导边附近压力分布误差最大。面元法是实际是一种奇点分布法，分析时各个奇点被布置在桨叶物面以及尾涡面位置，然后对获得控制方程求解边界值，以此获得螺旋桨的水动力性能。 随着 CFD 方法发展，求解 RNS 方程的商业软件相继出现并不断完善，CFD计算和分析功能越来越强大，已可以应用求解工程中的各类复杂问题。由于 CFD不仅能为分析者提供的详实的计算结果和流场特征分布图，还拥有较高的计算精度，目前在各个行业的实际工程应用颇受欢迎。就船舶行业而言，进行实验研究的时间成本和经济成本较大，单一试验尚可接受，进行批次化分析则大大受限。目前，CFD 技术已能较好的对船体航行性能、船体横摇性能、以及螺旋桨水动力性能等进行预报。因此，本章节简要阐述的 CFD 数值模拟的基本原理。

2.1  流体力学控制方程 
对于流体而言，无论其运动状态如何在宏观上，其表现出满足三大物理守恒定律。当然部分包含多种流体的混合流动则还需考虑组分守恒定律。假设流场内流体所做的运动形式为湍流运动，那么在分析这个流场时还要考虑湍流运输方程。 对于存在热交换的流体系统分析时还需要考虑能量守恒定律，该定律实质是热力学第一定律在流体模型的推导。
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2.2  常用湍流模型介绍 
根据雷诺数的大小可将流动的流体分为层流运动和湍流运动，湍流运动由于其运动的不规则、无序性使得目前湍流的一些基本问题依旧未得到解决，因此目前在数值分析时也没有一种湍流模型供各类工程问题选用。因此，在分析涉及湍流的工程问题时，首先根据各种湍流模型的适应范围，同时考虑计算代价，选取合适的湍流模型，以便在较短时间内得到可接受的精度的计算结果。实际工程应用中 RNG k 、 Realizable k 以及 SST k-ω 这三种湍流模型运用最为广泛。 
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第三章  普通桨水动力性能数值研究 ........ 18 
3.1  桨模主要参数及型值转换公式 ....... 18 
3.2  螺旋桨几何建模 .... 21 
3.3  计算域设置 ............ 22 
3.4 网格划分及计算设置 ...... 22 
3.5 数值模拟计算的依赖性验证 ............ 24 
3.5.1  出口边界位置对于计算的影响 ......... 24 
3.5.2  湍流模型对于计算的影响 ........ 25 
3.6 数值计算结果及分析 ...... 25 
3.7  本章小结 ....... 29 
第四章  导管桨水动力性能研究 ....... 30 
4.1  导管桨试验研究 .... 30 
4.2 导管桨数值研究 ..... 34
4.4 本章小结 ........ 41 
第五章  导管几何参数水动力性能分析 .... 42 
5.1  导管叶梢间隙分析 ......... 42 
5.2  导管长径比分析 .... 44 
5.3  收缩系数分析 ........ 46 
5.4  伸张系数分析 ........ 48 
5.5  导管螺旋桨参数优选 ..... 49 
5.6  本章小结 ....... 49 

第五章  导管几何参数水动力性能分析

导管桨的设计通常以螺旋桨作为定量，调整外导管的几何参数实现优化导管桨的整体水动力性能，因此本章的参照此理对利用数值分析法对导管的叶梢间隙、伸张系数、长径比等几方面的参数特性分析各个参数对整个导管推进装置的影响规律。随后根据所得各个参数的影响特性优选导管各项参数，计算优选后的导管桨水动力性能，并与原始导管桨推进性能进行比较。 

5.1  导管叶梢间隙分析 保持导管几何形状不变，缩放导管尺寸即可实现调节导管叶梢间隙大小。原始导管模型桨叶梢间隙为 1mm，在此基础上增加导管直径，螺旋桨则采用相同直径，进而使得两者之间的间隙为 2mm 和 3mm。由表 5-1 的数据结果可以得到，进速系数取在 0.1 至 0.5 之间时，叶梢间隙为 1mm所得的推力系数大于其他两种间隙；当进速系数取在 0.166 时，1mm 间隙所得推力系数较比 2mm 间隙状态数值大约 3.98%；但是当进速系数大于 0.663 时，1mm 间隙推进效果反而不及 2mm 间隙。对于螺旋桨扭矩而言，间隙 1mm 时扭矩依旧大于其他两种间隙，该差值基本保持稳定状态，最大情况时比 2 毫米间隙条件大 8.6%左右。由上可知，导管螺旋桨的整体性能随导管与螺旋桨之间的间隙增大而降低，故导管桨设计制造过程中满足制造工艺和安装要求的情况下，叶梢间隙选取应尽量小，保证导管桨的推进性能。 

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总结 

随着渔业船舶的不断发展，渔船装备与技术的革新受各界的重视与关注，本文以典型性代表的拖网捕捞渔船作为切入点，运用试验研究与数值模拟方法分析其目前较为普遍的推进装置的水动力性能。在对研究对象的学习分析以及论文的整体撰写过程中，个人完成下述的研究成果： 1）运用 CFD 软件对普通螺旋桨水动力性能进行预报，主要包括根据螺旋桨二维型值建立三维模型、整体计算域设置、螺旋桨网格划分、边界条件设置、湍流模型选取以及求解参数等数值分析计算流程。通过分析比较数值预报结果和试验结果，表明数值分析方法适用于螺旋桨水动力性能分析。 2）以实际拖网渔船导管桨作为分析对象，运用试验研究方法与数值分析方法相结合验证导管桨的水动力性能特性，结果表明导管桨表现出的重载工况推进效率高的特点对于类似拖网渔船的存在较多重载工况作业需求的船舶。 3）通过对导管各项参数的分析，表明导管间隙越小导管桨推进效率越高，长径比和收缩系数对于导管桨的性能影响不大，而伸张系数的影响较其他几项系数更为明显，伸张系数过大反而为降低螺旋桨的推进效率。 4）根据各项参数的影响程度，优化导管的几何形状，优化后的导管桨各个进速系数下的推进效率都有提升，对于拖网渔船常用的进速系数范围内，推进效率提升约 3%，提升效果较为满意。 
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参考文献(略)

本文编号：234643