【摘要】：提高能量轉(zhuǎn)化效率對(duì)于現(xiàn)今運(yùn)輸行業(yè)來說是一個(gè)剛需。從這方面來說,船舶推進(jìn)器在海洋運(yùn)輸中扮演了一個(gè)非常關(guān)鍵的角色,因?yàn)樗菦Q定船舶總體推進(jìn)效率關(guān)鍵單元,提升船舶推進(jìn)器的推進(jìn)效率是減少燃油消耗和CO_2排放的良好途徑。在提升船舶推進(jìn)效率的途徑中,船舶附加水動(dòng)力節(jié)能裝置以安裝方便、不影響總布置、節(jié)能效果好、回收成本快等優(yōu)勢(shì),深受廣大船東喜愛。但是因?yàn)樗啬Ｐ驮囼?yàn)存在尺度效應(yīng),現(xiàn)今并沒有一個(gè)很好的換算方法能準(zhǔn)確預(yù)報(bào)帶有節(jié)能裝置的船舶快速性,所以其真實(shí)節(jié)能效果也被船東所懷疑。本文對(duì)兩種典型的節(jié)能裝置(導(dǎo)流鰭和舵附推力鰭)進(jìn)行船舶快速性能研究,采用雷諾相似理論,獲得實(shí)船雷諾數(shù)下的節(jié)能裝置真實(shí)節(jié)能效果,同時(shí)采用試驗(yàn)方法和數(shù)值模擬分析了3個(gè)不同尺度的帶有節(jié)能裝置的船舶模型的快速性能,通過不同的換算方法分析節(jié)能裝置的尺度效應(yīng)問題,并比較了各種換算方法預(yù)報(bào)結(jié)果的差異。本文主要工作如下:對(duì)試驗(yàn)?zāi)Ｐ�、試�?yàn)工況、試驗(yàn)過程和試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了說明;對(duì)數(shù)值計(jì)算所采用的理論方法進(jìn)行簡(jiǎn)單描述,介紹了計(jì)算模型,通過分析計(jì)算得到的阻力、螺旋槳推力和扭矩以及輸出的波形和流場(chǎng)圖驗(yàn)證了本文所采用普通數(shù)值計(jì)算模型的正確性。通過推導(dǎo)快速性試驗(yàn)的相似理論獲得本文所采用的數(shù)值計(jì)算換算方法(實(shí)船雷諾數(shù)數(shù)值計(jì)算);對(duì)兩種常見的船舶快速性換算方法,以及MARIC方法進(jìn)行了詳細(xì)闡述;同時(shí)通過分析ITTC1978年方法的假定與涉及尺度效應(yīng)的物理參數(shù),獲得本文所采用的換算方法。通過改變流體的運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù),使得模型和實(shí)船具有相同的雷諾數(shù),這樣的情況下模型是沒有尺度效應(yīng)的。對(duì)實(shí)船雷諾數(shù)數(shù)值計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)驗(yàn)證,分析了不同尺度下模型的阻力、流場(chǎng)等精細(xì)參數(shù),證明了實(shí)船雷諾數(shù)數(shù)值計(jì)算適用于模型阻力和自航試驗(yàn)?zāi)M。然后采用實(shí)船雷諾數(shù)模擬對(duì)裸船體、帶有導(dǎo)流鰭以及帶有舵附推力鰭的船體進(jìn)行了阻力和自航模擬,通過流場(chǎng)等物理量分析了這些節(jié)能裝置的節(jié)能機(jī)理,并得到了節(jié)能裝置的實(shí)船節(jié)能效果:本文的導(dǎo)流鰭節(jié)能效果在5.45%左右,舵附推力鰭節(jié)能效果在1.81%左右。進(jìn)行了3個(gè)不同尺度的模型試驗(yàn),包括模型阻力試驗(yàn),螺旋槳敞水試驗(yàn)以及模型自航試驗(yàn),同時(shí)在這些試驗(yàn)船體模型上加裝了船舶水動(dòng)力節(jié)能裝置:導(dǎo)流鰭和舵附推力鰭。同時(shí)進(jìn)行了精細(xì)流場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn),獲得帶與不帶節(jié)能裝置的船體和螺旋槳的精細(xì)流場(chǎng),分析節(jié)能裝置的節(jié)能機(jī)理,同時(shí)通過試驗(yàn)結(jié)果分析尺度效應(yīng)產(chǎn)生的原因,并采取3種不同換算方法對(duì)結(jié)果進(jìn)行換算,結(jié)果表明本文提出的換算方法能有效的減小預(yù)報(bào)結(jié)果的尺度效應(yīng)。介紹了波浪中船舶快速性預(yù)報(bào)方法,進(jìn)行了3個(gè)不同尺度波浪中帶有節(jié)能裝置的船舶快速性試驗(yàn),分別分析了導(dǎo)流鰭和舵附推力鰭在波浪中的節(jié)能效果;同時(shí)進(jìn)行了帶有組合節(jié)能裝置的靜水中和波浪中的船舶快速性試驗(yàn),分析了組合節(jié)能裝置在靜水中的節(jié)能機(jī)理和節(jié)能效果,并嘗試將本文提出的方法應(yīng)用于波浪中帶有節(jié)能裝置的船舶快速性預(yù)報(bào)中。結(jié)果表明本文提出的方法能一定程度的減小波浪中帶有節(jié)能裝置的船舶快速性預(yù)報(bào)的尺度效應(yīng)。
【圖文】：

圖 1.1 導(dǎo)流鰭Fig 1.1 Pre-Swirl Stator不必要的能量損失，Kim 等[45]為某一 160K LNG 船設(shè)計(jì)了不對(duì)了兩種形式的導(dǎo)流鰭：橫截剖面一致的（CPAS）和橫截剖面變化的（（勢(shì)流理論和粘流計(jì)算）以及模型試驗(yàn)，選取了節(jié)能效果更好的方法采用了兩種方式，ITTC1978 方法和 ITTC1999 方法，這兩種不一樣的，ITTC1978 得到的結(jié)果為：CPAS 為 3.08%，VPAS 為到的結(jié)果為：CPAS 為 5.96，VPAS 為 8.13%。結(jié)果也在一定程度在。鰭研究始見于 80 年代末上海船舶設(shè)計(jì)院[46]，應(yīng)廣州海運(yùn)局要求散貨船設(shè)計(jì)了導(dǎo)流鰭，試驗(yàn)研究表明導(dǎo)流鰭可以取得 2.74%-4.55%段 708 所進(jìn)行了節(jié)能裝置研發(fā)[47]，其中就包括槳前整流鰭，其形

凌乃俊[51]等首先確定導(dǎo)流鰭各個(gè)葉片的設(shè)計(jì)環(huán)量，然后通過比較完善的升力線理論來對(duì)導(dǎo)流鰭進(jìn)行設(shè)計(jì)，一共設(shè)置了 6 種總設(shè)計(jì)環(huán)量加權(quán)因子，當(dāng)加權(quán)因子大于 0.77 時(shí)，葉片開始產(chǎn)生阻力，小于 0.77 時(shí)阻力變化并不明顯，最終采用加權(quán)因子為 0.77，此時(shí)節(jié)能效果為 2.64%，而試驗(yàn)時(shí)的結(jié)果比設(shè)計(jì)時(shí)還要好，，達(dá)到 4.54%。1.2.2 舵附推力鰭國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展舵附推力鰭（Thrust Fin）是安裝在舵中間的一對(duì)水平翼（鰭片）組成，水平翼各有一定的迎流角，見圖 1.2，主要節(jié)能原理是：1、產(chǎn)生附加推力；2、可以使螺旋槳周向繞流減少，相當(dāng)于回收尾流中因旋轉(zhuǎn)而損失的能量[52-58]。1983 年日本 IHI 株式會(huì)社（石川島播磨重工業(yè)株式會(huì)社）首先研制出舵附推力鰭[59;60]，第一個(gè)舵附推力鰭被安裝在一艘 238400DWT 油輪上，之前進(jìn)行了理論計(jì)算與模型試驗(yàn)，這些研究用來確定最佳的安裝位置與尺寸。為了保證舵附推力鰭的強(qiáng)度，在靜水中和波浪中都進(jìn)行了精心地測(cè)試，研究了波浪載荷與影響力，通過受迫振蕩試驗(yàn)以及耐波性試驗(yàn)確定了波浪載荷。安裝在實(shí)船上的最終節(jié)能效果可達(dá) 4%-5%。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工程大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U664.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2615262