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整流罩对推进效率影响的数值计算研究

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摘要

第1章 绪论

1.1 课题研究背景、目的和意义

1.2 本课题相关的国内外研究现状

1.2.1 试验研究和实船应用

1.2.2 数值模拟

1.3 本文的主要工作

1.3.1 研究内容

1.3.2 技术路线

第2章 船体模型的建立以及数值实现

2.1 FLUENT,GAMBIT简介

2.1.1 Fluent简介

2.1.2 GAMBIT简介

2.2 模型原型以及模型建立

2.2.1 实船参数以及CAD型线图

2.2.2 三维数值船体建模

2.3 计算域划分

2.4 网格划分

2.4.1 离散方法以及离散格式

2.4.2 网格划分

2.5 边界条件设置

2.5.1 入流条件

2.5.2 出流条件

2.5.3 对称边界条件

2.5.4 壁面条件

2.5.5 近壁面处理

2.6 湍流模式选取

2.6.1 湍流理论简介以及三维湍流模式分类

2.6.2 常用三维湍流模式的简介

2.6.3 湍流模式的选取

2.7 计算域内控制方程

2.7.1 基本假设

2.7.2 控制方程

2.8 流场数值解法

2.9 收敛的判断标准

2.10 本章小结

第3章 船体数值模拟结果分析和整流罩模型的建立

3.1 船体表面压力和速度的分布

3.1.1 船体表面静压图

3.1.2 船体表动压图

3.1.3 船表水流速度矢量图

3.1.4 尾轴处水流迹线图

3.2 桨盘面轴向速度等值线图

3.3 整流罩的建模

3.3.1 尺度以及定位

3.3.2 整流罩的建模

3.4 本章小结

第4章 带整流罩的计算

4.1 计算初始化

4.2 速度等值线图、桨盘面平均速度以及流线的比较

4.3 带加叶片后的整流罩计算

4.3.1 模型以及计算初始化

4.3.2 计算结果以及分析

4.4 本章小结

第5章 船、桨、整流罩一体的数值计算

5.1 螺旋桨模型的建立

5.2 船、桨、整流罩一体的计算条件初始化

5.3 计算结果分析

5.4 原船推进效率提高的验证

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

致谢

参考文献

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摘要

经济的飞速发展,导致能源短缺,燃料价格猛增。水上运输以运输总量大和平均运营成本低的优势,在全球物流占有率达六成以上。现代船舶的吨位越来越大,能源使用效率的一点提高都可获得极大的经济效益,船舶节能技术应运而生。附体减阻以其经济效益好(总投入较少,回收容易)、适用性好(新船或进坞维修的船舶均可安装)、易安装(结构较简单,体积较少)、节能效果明显等优势成为船舶节能的一个大方向。
  某船厂一艘57000DWT散货船,在试装整流罩运营一年后,节约燃油约5%,减少CO2排放量1002吨,达到了节能减排的目的。经过归纳总结,整流罩从以下几点来提高船舶推进效率:聚焦流线以达到整流效果;叶片预旋以产生有利于螺旋桨的进流条件。以此为原型,本文利用数值计算工具FLUENT,从流场流动细节对整流罩的节能机理进行研究。
  FLUENT是一个比较完善的软件包,包括前处理器,求解器和后处理器。本文通过裸船体在粘性流场中的数值实现,求得桨盘面处的标称伴流分布。对各速度下的桨盘面分布作对比分析,得出伴流场的特征。整流罩分布的位置以及尺寸,从伴流场特征以及尾轴三维流线图和尾轴处速度矢量分布来确定。对整流罩形式作讨论:刨面形式的选取;剖面与轴线夹角的逐步变化;整流叶片的对称或不对称布置;通过这些讨论来分析整流罩对推进效率影响的细节情况和作用机理。
  建立整流罩模型和螺旋桨模型,采用滑移网格技术和分块混合网格对船、整流罩、螺旋桨一体进行离散。通过螺旋桨后部实交效伴流的分析比较,对有利于推进效率提高的整流罩形式以及叶片布置形式有一个定性的认识。将原船带桨、整流罩与原船带桨的实效伴流比较,得到其推进效率提高幅度,对其作验证,并确定这种数值模拟方法的可行性。
  通过FLUENT的一系列建模和计算比较,本文得到以下结论:
  1)与轴向夹角10度左右,截面水动力性能良好的整流罩对推进效率提高最大。
  2)根据螺旋桨转速和旋向分布的不对称预旋叶片对推进效率提高贡献较大。
  3)原型船的效率提高幅度通过CFD验算误差较小,本文数值模拟方法可行。

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