高性能船舶泵桨混合推进系统流场相互作用特性研究

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对于高航速、大功率、多工况的高性能排水型船舶,采用螺旋桨或喷水推进器等单一类型的推进器往往难以满足船舶快速性、全工况范围高效推进、振动噪声小等多指标综合兼优的要求。针对这类船舶,在推进装置的推进器这一端采用喷水推进器与螺旋桨联合使用的混合推进方式(简称泵桨混合推进)来提升推进性能是一种值得探索的研究工作。本文以船舶泵桨混合推进系统为研究对象,开展了泵桨混合推进船舶推进性能理论分析方法、推进性能与流场特性的CFD预报方法、“船-桨-泵”系统流场相互作用特性等研究。(1)本文综合螺旋桨推进和喷水推进的工作原理和泵桨混合推进的特点,建立了泵桨混合推进自航船模推进性能分析方法和实船推进性能预报方法,确定了采用泵桨混合自航推进工况、螺旋桨独立推进工况和喷水推进器独立推进工况相结合来求取泵桨混合推进船舶整体推进因子以及螺旋桨和喷水推进器各自推进因子的方法与步骤,可为泵桨混合推进系统的设计、模型试验以及性能评估提供理论依据。(2)基于RANS方法,综合采用动网格技术、气液两相流VOF模拟技术、推进器体积力模拟技术等数值方法,分船模和实船两种尺度,开展了泵桨混合推进船舶的船体阻力、螺旋桨敞水性能、喷水推进器自由来流条件下的推进性能、螺旋桨独立推进的船舶自航性能、喷水推进器独立推进的船舶自航性能、螺旋桨和喷水推进器混合推进的船舶自航性能CFD数值预报方法研究,掌握了泵桨混合推进系统推进性能和流场特性分析的数值评估手段,可与模型试验等其他手段相结合来实现泵桨混合推进船舶复杂流场与推进性能的快速、有效评估。(3)基于上述的泵桨混合推进理论分析方法和流场特性CFD分析手段,开展了泵桨混合推进系统案例设计,并结合案例开展了喷水推进器与螺旋桨横向左右距离、纵向前后距离、垂向上下距离等空间布置形式以及螺旋桨旋向等因素对“船体-螺旋桨-喷水推进器”流场相互作用、对推进效率等推进性能和“船体-推进器-主机”匹配特性的影响研究,了解了泵桨混合推进系统的流场相互作用特性的初步规律。在此基础上,基于泵桨混合推进流场相互作用规律对泵桨混合推进方案进行了改进设计,为泵桨混合推进船舶的船艉线型与推进器设计提供了设计经验。本文通过上述研究工作,掌握了泵桨混合推进系统螺旋桨和喷水推进器阻力分配及推进因子的确定方法、“船-泵-桨”复杂系统流场特性数值计算方法等关键技术,得到了泵桨混合推进船舶初步设计方案,计算求取了混合推进系统的推进性能,探索了“船-泵-桨”相互作用特性,可为泵桨混合推进船舶的优化设计和未来的产品开发在理论依据和评估手段方面提供技术参考。
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