江海直达换代船型快速性能研究

发布时间：2020-07-15 17:32

【摘要】：江海直达方式是长江水路运输的发展方向，大型化则是近年来运输船舶船型的发展趋势，而国家长江航道“十二五”建设的实施，将为江海直达船进一步大型化提供航道基础；同时中国船级社也适当放宽了原有规范对江海船舶主尺度的限制。在上述江海船营运环境发生改变的前提下，航运企业为降低营运成本、提高市场竞争力，对新一代江海直达船舶提出了市场需求；同时“节能减排”政策也对船舶性能的技术水平提出了更高要求。在该背景下，工信部高技术船舶科研专项“江海直达多用途船换代开发”项目综合各学科的船舶性能，进行了江海直达船换代船型的开发，本论文为该项目船型快速性能研究的一部分。论文首先通过KCS标准船型的模型试验结果验证了所采用的水面船舶快速性预报的数值方法，随后通过数值计算与模型试验方法相结合的手段进行了江海直达换代船型的改进以及节能附体开发研究，并对浅水中与实尺度江海船流场的数值模拟进行了探讨。在船舶快速性数值预报方法的研究中，论文提出了根据螺旋桨推力与扭矩分布并结合船后伴流分布特征来构建螺旋桨力源模型的方法，以普遍用作进行算法验证的KCS船型与KP505螺旋桨为对象进行了螺旋桨敞水、船桨流场的数值模拟并预报其快速性能；根据试验结果对论文中船舶快速性数值计算方法的验证表明，该方法在预报精度方面满足工程应用的要求；同时论文方法的计算周期也较RANS-BEM力源模型方法有所降低，一定程度上调和了计算精度与计算成本的矛盾。试验方法方面，对江海直达船（双尾鳍船型）的快速性预报分别进行了螺旋桨内、外旋（实船采用外旋）的自航试验，以便在推进效率中分离出预旋效率以考察桨前来流预旋对其自航性能的影响；与常规的单旋向自航试验与分析方法对比，论文采用的自航试验与自航因子分析方法在船舶快速性预报方面理论上更合理，可为实船适配桨的设计提供更准确的设计输入参数。在江海直达换代船型开发方面，论文所研究船型的长宽比、方形系数等参数突破了目前在营江海直达船舶的常规范围，为较新的江海直达船型，同时部分主尺度参数也增加了船型快速性能改进的难度。论文综合计算流体力学与试验流体力学的手段，通过不同的船舶改型思路，分别对项目船舶首尾部进行了改型并有效地提高了船舶的快速性能。与设计原型相比，提高其快速性约9.6%；与现有的江海直达船舶相比，尽管论文船型的方形系数较高且长宽比较小，从快速性角度论文船型较目前快速性最优的江海直达船高7.6%，从船舶能效指数（单位功率排水量航速）角度论文船型的优势更大。由于长江航道存在的限制水深问题，论文通过数值模拟手段进行了浅水对项目船舶阻力与航态影响的研究，所得的部分结论可为确定项目船舶安全营运的限制条件提供依据；论文还计及自由面对实尺度江海船舶粘性流场进行了数值模拟的探讨性研究，数值计算结果在船舶阻力以及部分流场细节方面反映了部分尺度效应的影响。在节能附体开发方面，论文综合了前置补偿导管与预旋定子的节能手段，提出前置导管与预旋定子组合型式的节能附体。通过对水池试验结果的分析表明，该节能附体型式实现了对桨前来流进行均流与预旋的设计预期并获得了一定的节能效果；同时也改善了螺旋桨的工作环境，避免或缓解了伴流不均匀导致的船体振动与螺旋桨空泡等现象。
【学位授予单位】：武汉理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：U661.31
【图文】：

水深图,航段,武汉,月份

长江航航道武汉航航段不同月份份水深图（（单位：米）

几何形状,螺旋桨,几何形状,螺旋桨直径

在 KP505 螺旋桨敞水流场计算中,计算域轴向桨前取 3 倍螺旋桨直径后取 5 倍螺旋桨直径，径向取 4 倍螺旋桨直径。计算离散网格形式采体网格与四面体网格的混合网格。敞水计算的流场计算域与网格分布见图 2-2，其中桨叶与桨毂附近的尺寸函数进行加密处理。

敞水,离散网格,螺旋桨,计算域

图2-2 KP505 螺旋桨敞水计算域与离散网格**网格模型为 KP505-USG1；模型编号说明参见下文“研究内容”部分的介绍。螺旋桨敞水流场计算中采用了 SRF 方法，其中旋转坐标系的转速以螺旋桨转速给定；螺旋桨叶与桨毂相对旋转参考系的速度为零；入口边界条件采用速度入口，即给定远前方未扰动流场的速度；出口边界的边界条件采用压力出口，即给定远后方未扰动流场的压力；外侧边界的边界条件采用滑移物面，其轴向滑移速度为来流速度；周向速度为旋转参考系的速度，且无流体穿过该边界。2.2.2 研究内容本部分的研究中分别针对不同网格密度以及不同进速系数的螺旋桨进行了敞水流场的数值模拟；考察了网格密度对敞水性征与螺旋桨流场计算的影响，同时基于 ITTC 规程进行了数值模拟的不确定度分析；考察了不同负荷条件下螺旋桨流场并与试验测量数据进行了比较。采用的三重系列网格尺度比例取为 2 ，即网格尺寸比例为USGUSG

【参考文献】