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基于CFD的双速比导管螺旋桨性能研究

作　者: 王艳龙
导　师: 陈明
学　校: 大连理工大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: CFD 导管螺旋桨双速比工况匹配
分类号: U664.33
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

拖网渔船属多工况船舶,常规推进系统只能满足其中的部分航行工况,当工况变化时,使得主机额定功率不能充分利用,造成船机桨匹配不佳。运用双速比齿轮箱联动导管螺旋桨,不仅在拖航工况下充分发挥其优势,而且在其它工况下均能使主机发挥额定功率,进而实现多工况的船机桨优化配置。此外,由于导管螺旋桨在重载荷工况下具有较高的推进效率,且在较大的工况范围内均能保持良好的推进性能。因此,这种推进系统在拖网渔船上得到了广泛的运用。随着CFD方法的发展以及计算流体力学商用软件不断完善,运用CFD软件进行数值计算,逐步成为工程上求解各种复杂问题的热门方法,其中在船舶流体力学领域也受到广大学者的喜爱。本文采用商业化软件CATIA、GAMBIT、FLUENT对固定导管桨、旋转导管桨及普通四叶桨分别进行了数值计算,并对机翼型导管桨和简易折线型导管的部分几何参数进行了分析。最后运用图谱法对拖网渔船的自航和拖航工况进行了减速比计算,同时运用CFD方法对两种工况进行了性能预报和分析,实现了船机桨匹配预报。在数值计算过程中,空间离散采用非结构四面体网格,一阶迎风差分格式,基于压力耦合求解器的SIMPLEC数值计算方法。论文主要完成以下几方面的工作：1.运用CATIA对导管螺旋桨进行三维建模,在FLUENT中采用动网格法对NO.19A固定导管桨、旋转导管桨以及楚思德B型4叶桨的水动力性能进行了数值计算,并对导管桨的压力特性,速度特性以及尾流场做了分析和对比。2.针对机翼型导管桨,分析了螺旋桨推进性能随导管与叶梢之间的间隙变化的规律,又对导管长径比的变化对导管桨的推进性能的影响做了分析；对简易折线型导管桨,分别探讨了导管与桨叶间隙,导管长径比,导管进流段与去流段比例对导管桨推进性能的影响,为导管桨参数的确定提供有利参考。3.根据双速比推进器应用机理,首先根据船体主尺度要素运用图谱法初步确定导管螺旋桨的几何要素,如直径,螺距,叶数等,进而估算出航速最大时的转速和螺距,然后在已知拖航航速的情况下,假定转速范围,根据图谱求得不同转速下的拖力曲线及螺距曲线,由于双速比导管桨是定距桨,故自航工况下确定的桨的螺距即为拖航下的螺距,根据该螺距在拖力曲线上可求得对应的转速和拖力。4.确定出自航航速以及螺旋桨转速,以及拖航航速及最佳转速后,运用CFD方法分别对自航和拖航的典型工况进行数值计算,并对不同工况进行推进特性预报,从而确定双速导管桨的自航转速和拖航转速。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-7
目录  7-9
1 绪论  9-14
  1.1 研究的背景和意义  9-10
  1.2 国内外研究现状  10-12
    1.2.1 螺旋桨水动力数值分析  10-11
    1.2.2 拖网渔船工况匹配分析  11-12
  1.3 论文主要工作  12-14
2 CFD计算原理及相关软件介绍  14-29
  2.1 计算流体力学  14-21
    2.1.1 计算流体力学简介  14
    2.1.2 湍流运动控制方程  14-15
    2.1.3 湍流流动模型  15-19
    2.1.4 数值算法  19-21
  2.2 几何建模CATIA  21-22
    2.2.1 基本简介  21
    2.2.2 模块介绍  21-22
  2.3 前置处理器GAMBIT  22-25
    2.3.1 几何造型  22-23
    2.3.2 网格划分  23-24
    2.3.3 网格质量检查与模型输出  24-25
  2.4 求解器FLUENT  25-29
    2.4.1 FLUENT简介  25
    2.4.2 求解器选择  25-26
    2.4.3 运行环境的选择  26
    2.4.4 材料的定义  26-27
    2.4.5 边界条件定义  27-29
3 螺旋桨水动力性能预报  29-49
  3.1 NO.19A固定导管桨定常性能预估  29-41
    3.1.1 几何建模  29-33
    3.1.2 数值计算方法  33-36
    3.1.3 数值计算结果分析  36-41
  3.2 NO.19A旋转导管桨定常性能预估  41-43
    3.2.1 数值计算方法  41-42
    3.2.2 数值计算结果分析  42-43
  3.3 楚思德B型四叶桨定常性能预估  43-46
    3.3.1 几何建模  43-44
    3.3.2 数值计算  44-45
    3.3.3 数值计算结果分析  45-46
  3.4 螺旋桨水动力性能对比分析  46-47
    3.4.1 轻载工况对比  46-47
    3.4.2 拖航工况对比  47
  3.5 小结  47-49
4 导管螺旋桨几何参数分析  49-63
  4.1 NO.19A机翼型导管  49-56
    4.1.1 几何参数介绍  49-51
    4.1.2 桨叶间隙的选取  51-54
    4.1.3 长径比的选取  54-56
  4.2 JD7704简易折线型导管  56-61
    4.2.1 几何参数介绍  56-57
    4.2.2 桨叶间隙的选取  57-58
    4.2.3 长径比的选取  58-59
    4.2.4 进流段与去流段的选取  59-61
  4.3 小结  61-63
5. 双减速比计算及性能预报  63-82
  5.1 拖网渔船工况分析  63-64
    5.1.1 自航工况  63-64
    5.1.2 拖航工况  64
  5.2 双减速比计算  64-67
    5.2.1 双速比齿轮箱  64-65
    5.2.2 双速比匹配原理  65
    5.2.3 双速比导管螺旋桨  65-66
    5.2.4 图谱计算法初步确定螺旋桨要素  66-67
  5.3 双速比导管桨定常性能水动力预报  67
  5.4 双速比螺旋桨计算实例  67-80
    5.4.1 自航工况要素计算  67-71
    5.4.2 拖航工况要素计算  71-73
    5.4.3 双速比导管桨定常性能预估  73-80
  5.5 小结  80-82
结论  82-84
参考文献  84-86
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  86-87
致谢  87-88

基于CFD的双速比导管螺旋桨性能研究

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