船舶四桨布局对水动力相互干扰的分析研究.pdf

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1、第４３卷第２期船海工程Ｖｏｌ．４３Ｎｏ．２２０１４年４月ＳＨＩＰ＆ＯＣＥＡＮＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧＡｐｒ．２０１４ＤＯＩ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１-７９５３．２０１４．０２．０１２船舶四桨布局对水动力相互干扰的分析研究１２２２２李景熹，邱辽原，邹存伟，龙文，姜治芳（１．海装舰船办公室北京１０００７１；２．中国舰船研究设计中心，武汉４３００６４）摘要：针对一艘四桨推进的船舶，采用ＣＦＤ数值仿真方法，分别模拟内、外桨位置变化后主船体及螺旋桨周围的流场，分析螺旋桨的布局，尤其是内、外桨横向、纵向距离的变化对螺旋桨推力系数、转

2、矩系数、以及敞水效率的影响，提出船舶四桨布局的优化方向，给出四桨船布局优化的建议。关键词：船舶；螺旋桨；四桨布局；优化研究；数值模拟中图分类号：Ｕ６６４．３１文献标志码：Ａ文章编号：１６７１-７９５３（２０１４）０２-００４４-０５随着船舶吨位和主机功率迅速增大，传统的抄ρ抄＋（ρui）＝０（１）双桨推进方式已难于满足船舶航行性能的要求。抄t抄xi因此，在一些大型船舶上采用了三桨或四桨的推流体的N-S方程为进方式，尤其是对船舶快速性的要求使得四桨船Duj抄p抄抄uj１抄抄ui匙ρ＝－＋μ＋μ＋ρfj（２）Dt抄xj抄xi抄xi３抄x

3、j抄xi的螺旋桨性能受到越来越多的关注。对于四桨推1．2湍流模型进的船舶而言，合理布置四桨布局，尽量避免四桨选用ＲＮＧk－ε湍流模型，该模型考虑了平之间的不利干扰，尤其是前桨对后桨和两个内桨均流动中的旋转及旋转流动情况，使得其能更好之间的不利干扰，对于提高快速性，降低螺旋桨空［２］地处理高应变率及流线弯曲度比较大的流动。泡和噪声，意义重大。文献［１］中采用面元法对湍流脉动动能方程（k方程）为四桨两舵推进系统的水动力进行了分析研究，得抄抄到了一些有益的结果。但由于面元法的基础是势（k）＋（kui）＝抄t抄xi流理论，忽略了水的粘性，因

4、此对船舶周围真实流抄νt抄k场的模拟存在一定的局限性。抄x（ν０＋））＋Pk－ε（３）jσk抄xj本文采用ＣＦＤ数值仿真方法对螺旋桨／船体湍流能量耗散率方程（ε方程）为流场的整体计算进行研究，充分考虑水的的粘性抄抄抄νt抄ε对流场的影响，通过模拟内、外桨位置变化后主船（ε）＋（εui）＝（ν０＋）＋抄t抄xi抄xjσε抄xj体及螺旋桨周围的流场，来分析螺旋桨的布局对εε２Cε１Pk－Cε２－Rε（４）螺旋桨水动力性能的影响，进而提出船舶四桨布kk局优化方向。模型常数取为σk＝０．７１７９，σε＝０．７１７９，Cε１＝１．０６３，Cε

5、２＝１．７２１５，Cμ＝０．０８３７。１数学方法1．3MRF模型1．1控制方程对螺旋桨的旋转采用多重参考系（ＭＲＦ）模主船体与螺旋桨水动力相互干扰的控制方程型。ＭＲＦ模型是不同旋转或者移动速度的每个由连续性方程和N-S方程组成。其中连续性方程单元体的稳态近似求解。运用ＭＲＦ模型计算时，为计算区域划分成多个不同的子域，每个子域相对于惯性参考系可能是旋转或者平移的。每个子域的控制方程都是对子域参考系而写的。在两个子收稿日期：２０１３－０９－２５修回日期：２０１３－１０－１４域的边界，子域控制方程的扩散项和其它项需要第一作者简介：李景熹（

6、１９７９－），男，博士，工程师临近子域的速度值。强制使用绝对速度v的连续［３］研究方向：舰船总体性，向所考虑的子域提供相邻区域正确的值。E-mail：ｗａｌｌａｃｅ６２１＠１６３．ｃｏｍ计算区域旋转轴的初始位置的位置向量定义为４４船舶四桨布局对水动力相互干扰的分析研究———李景熹，邱辽原，邹存伟，龙文，姜治芳r＝x－x０（５）2．2计算域及网格划分式中：x———笛卡尔坐标的位置向量；在前期研究成果的基础上建立主船体和螺旋x０———计算区域旋转轴的初始位置。桨整体计算的数学模型，忽略自由液面效应的影相对速度坐标系见图１。响。由于计算模

7、型和计算区域左右对称，流场计算时均取一半。入口离船艏１倍船长，出口离船［４-５］艉两倍船长，外侧面离船中一倍船长。考虑到要研究船后螺旋桨的布局对其性能的影响，故建模时创建一个包含两桨的包体，２个螺旋桨可以在这个包体中自由移动。如此，在改变图1相对速度坐标系螺旋桨的布局时，包体外域的流场网格不需要改变。这样做不仅大大减小网格划分的工作量，而移动参考系的相对速度通过以下方程转换为且减小了由于网格划分不同而造成的计算误差。绝对坐标系的速度。又根据滑移网格的特点，需要将流场分为静止区v＝vr＋（ω×r）＋vt（６）域和旋转的子域，旋转的２个

8、子域划分成包含螺式中：v———绝对惯性参考系的速度；旋桨的圆柱体，将这２个子域置于包体中，其它的vr———相对非惯性参考系的速度值；区域皆是静止的部分。由于球鼻艏、螺旋桨及船vt———非惯性参考系的平移速度。体艉部的几何形状复杂，曲率