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船体与螺旋桨及舵相互干扰的水动力性能预报

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为了获得更好的船桨舵匹配和船体几何外形，在船舶设计过程，考察并评估船体与螺旋桨及舵相互干扰的水动性能显得十分必要。由于船体外形复杂，船桨舵相互干扰的水动力性能预报困难，早期的CFD方法很少研究船桨舵的完整组合模型。如今，随着CFD方法的不断改进和计算机性能的大幅提升，船舶水动力性能的数值求解方法获得了新的发展，包含全附体的船舶水动力性能的预报成为可能。随着时间的推移，CFD技术成为船舶流体力学中不可缺少的研究工具，不仅可用于学术研究，而且还可用于实际船舶的设计中去。此外，优化船体、螺旋桨和舵之间的相互作用，在提高船舶性能和提高船舶营运的经济性能方面起着重要的作用。此外，船桨舵相互干扰的流场及其水动力性能预报是计算流体力学中最具挑战性的问题之一。对此，本文研究了船桨舵相互干扰的水动力性能预报方法，基于CFD技术研究了两个不同船舶水动力性能。为了分析和了解船体与附体之间的匹配性能和作用机制，本文研究了包括敞水螺旋桨、船体、船体与螺旋桨、螺旋桨与舵、船桨舵完整组合的水动力性能。
　　 本文采用FLUENTTM商业软件作为求解器，采用GAMBITTM和TGRIDTM划分流场网格。在网格划分过程中，为了在船首、船尾、螺旋桨和舵等形状复杂的部分获得较好的网格，在包含此区域的流场中使用混合网格，在剩余区域使用六面体网格，在生成体网格之前，先对面网格进行光顺和修复，为了获得更好的求解结果，除了降低面网格和体网格的扭曲度之外，还结合湍流模型对壁面y+值的要求，调整了第一个网格节点到壁面的距离。为了实现螺旋桨的旋转运动，滑移网格技术被应用在螺旋桨的敞水性能预报中，其余计算则通过多参考坐标系模型实现螺旋桨旋转。在数值计算中，螺旋桨包含在一个旋转区域内和该区域以给定的转速旋转，剩余区域则静止不动，两者之间通过界面连接。
　　 首先，论文采用大涡模拟(LES)湍流模型与Smagorinsky-Lilly的亚格子尺度模型预报了KP505螺旋桨的敞水水动力性能。比较了不同进速系数下敞水螺旋桨水动力性能的预报值和试验值。给出了螺旋桨的轴向速度与速度矢量、压力分布、流场迹线等流场细节，以考察螺旋桨对流场的影响。在此基础上，通过KCS船模的阻力预报，考察了标准k-ε湍流模型、realizable k-ε湍流模型和SST k-ω湍流模型的适用性，通过与试验值的对比，分析了网格数量对计算结果的影响，比较了船体尾部压力分布、桨盘面的伴流分布、桨盘面的横向速度矢量等物理量的计算值与试验值的差异。在船体阻力与螺旋桨敞水性能预报的基础上，研究了KCS船体与KP505螺旋桨的相互干扰，采用与船体阻力预报同样的湍流模型。通过与试验值的对比，考察了不同网格对推进性能的影响，比较了船体尾部的压力系数、桨盘面后0.25倍螺旋桨直径处的轴向速度分布、速速矢量等物理量的计算值与试验值的差异。为了直观地显示船体和螺旋桨的相互干扰，论文同时给出了流经船体与螺旋桨的局部流场流动细节。
　　 对于57k散货船，采用realizable k-ε湍流模型研究了桨舵干扰和船桨干扰的水动力性能。首先，通过与试验数据对比检验了桨舵干扰的计算结果。为了直观理解桨舵之间的干扰，论文给出了桨盘面前后不同位置处流场的轴向速度分布和横向速度矢量、舵表面的压力分布与驻点，并通过流线显示技术给出了流经螺旋桨和舵的流线流动细节。然后，研究了船体与螺旋桨相互干扰的水动力性能，考察了设计航速下船体的阻力与螺旋桨的推进性能，给出了桨盘面前后不同位置处流场的轴向速度分布和横向速度矢量，以及船体表面的流体轨迹，为了深入理解船桨相互干扰现象，论文同时给出了船体与螺旋桨表面的压力分布。
　　 最后，在前述研究的基础上，研究了船桨舵完整组合模型的水动性能，给出了船体的阻力、螺旋桨的推力与转矩，并与试验值做了对比分析。此外，为了研究船桨舵之间的干扰机理和匹配性能，论文给出了桨盘面前后不同位置处流场的轴向速度分布和横向速度矢量、舵表面的压力分布与驻点、舵表面的流体轨迹，以便于与桨舵干扰进行比较。为获得更多的流场信息，以便于理解船桨舵相互干扰的机理，论文同时给出了船体、螺旋桨和舵表面的压力分布，流经船体、螺旋桨和舵表面的三维流线流动细节。

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