船桨与自由状态冰耦合作用的数值仿真研究

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船舶在碎冰区域航行一直是目前研究中的重点问题,而其中的冰桨相互干扰又一直是研究中的重点。当碎冰体积较大时,运动的碎冰会沿船体侧向或者尾部滑行到螺旋桨周围影响螺旋桨周围的流场,进而影响螺旋桨的水动力性能,并且这种影响会随着时间的变化而变化;当冰桨发生接触碰撞时,螺旋桨受到很大的影响。目前来说使用试验或者理论的方法解决冰桨相互干扰的模拟需要大量的人力物力,而且由于其耦合作用机理较为复杂,在试验或理论分析上都有很大的困难。随着CFD技术的不断完善和成熟,计算仿真的方法日益成为解决模拟冰桨相互干扰问题的强有力工具之一。首先,选用ICEPROPELLER螺旋桨和某型船体为主要的研究对象,使用STAR-CCM+软件作为主要的研究工具。使用重叠网格方法并选用RANS模型,计算了不同进速下ICEPROPELLER桨的推力曲线和扭矩曲线,并将计算结果与模型试验进行了对比分析,从而验证本文计算方法的正确性与合理性。选用ICEPROPELLER桨与特定形状冰块,开展冰桨水动力相互干扰的计算仿真研究。使用重叠网格对冰块的外运动域和螺旋桨的旋转域进行建模,将冰块放于螺旋桨正前方一定位置并计算一定时间后再将冰块释放,变化冰块的大小、进速、冰块初始释放轴向位置和径向位置等参数。通过变化这些参数我们可以发现在桨的抽吸作用下冰块以轴向运动为主;冰块后方会存在“加速区”和“阻塞区”,对螺旋桨的水动力性能产生较大的影响。某型破冰船作为最新下水的破冰船,弥补了我国在破冰船设计建造上的多项空白。本文建立了碎冰区域航行的某型破冰船的模型,并计算了不同航速和碎冰密集度下船体总阻力的变化,低航速时,密集度的增加对总阻力的影响非常明显,而高航速下总阻力的增加受密集度影响不大。本文初步探索了某型破冰船船桨一体情况下在碎冰区域航行的问题,通过给予螺旋桨不同的转速,分析螺旋桨转速对船体周围以及艉部碎冰的分布规律。同时进行了某型破冰船船桨一体在碎冰区域倒车时的运动模拟,得到了在碎冰航行时冰桨接触碰撞的时域曲线。
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