1、一、课题的来源、目的、意义，国内外研究现状分析1. 课题的来源、目的、意义近年来，由于特种推进器在提高船舶推进效率、减少舰船振动以及降低噪声、节省燃油消耗等方面发挥了巨大的优势，已越来越为国内外研究机构和学者所重视。不少新的推进形式相继出现，一系列相关的理论和试验研究也相继展开。吊舱推进器(Podded Propulsor)是目前受到世界造船业广泛关注的一种新型推进装置。它在八十年代末期首先被应用于工程作业船，随后被应用于大型邮轮、客滚船、高速集装箱船等许多类型的船舶。吊舱式推进的优点很多，例如，它大大增加了船舶设计的灵活性、可以提高有效载荷及舱容利用率，提高推进效率、改善振动与噪声性能，降低
2、推进系统安装与维护成本，提高可靠性等。其中，CRP(Contra Rotor Propulsion)吊舱推进系统应用前景广阔。在该种推进形式中，传统轴推进桨与吊舱推进器螺旋桨相对反转运行，由于轴推进桨的能量损耗在吊舱得到回收，因而可提高推进效率 10%到 15%. 该种推进系统综合了吊舱式推进器和对转螺旋桨的优点，除了具有很高的螺旋桨推进效率、良好的操作性能和空泡性能、节能等特点外，还具备可靠性高、空间体积小、机械结构相对简单、机动性和灵活性好等优点，解决了单桨推进功率冗余不够、双桨推进造价昂贵的问题。如今，船舶不断朝着大型化、高速化发展，航速为 3035kn 甚至更高的超大型集装箱船所需的推
3、进功率已达到当今世界上最好的低速柴油机或涡轮机的功率极限。因此采用混合式吊舱推进来降低单机功率需求，对单桨及双桨船来说都是一种好的解决方案。混合式吊舱推进也可用于吃水和螺旋桨直径受到限制、螺旋桨载荷偏高的船型，通过将推进载荷分配给两个螺旋桨，船舶的推进效率可以得到有效提高。2. 国内外研究现状分析吊舱推进系统是近二十年来才逐渐发展起来的一种新型的船舶电力推进系统，不过国内外很多学者已陆续开展了各种研究，取得了许多成果。Achkinadze et al1以改进的基于速度的面元法为基础，建立了吊舱推进器的水动力性能计算方法，并对拖式与推式吊舱推进器的水动力进行了数值计算。与试验数据的比较表明，该方
4、法可以较好地预报拖式及推式吊舱推进器的定常水动力性能，对于小舵角时操纵水动力的预报也具有一定的精度。Szantyr2采用基于速度势的面元法，建立了吊舱推进器的水动力性能计算模型。然后，应用该模型对双桨式吊舱推进器的水动力性能进行了数值计算，并与试验结果进行了比较，表明该方法对双桨式吊舱推进器水动力性能的计算有一定精度。Chicherin et al3应用 RANS 求解器对吊舱和支架阻力预报的尺度效应进行了研究。他们对两种类型的拖式吊舱推进器(吊舱分别为流线型和钝头型)，分别进行模型尺度和实船尺度的粘性流场计算，得到了不同进速系数下吊舱和支架的阻力系数，讨论了吊舱和支架阻力系数与雷诺数和进速系
5、数间的关系。Ohashi 和 Hino4应用 N-S 求解器 SURF 和非结构网络技术预报了对转式吊舱推进船舶的水动力性能。首先，他们对单螺旋桨及对转桨的敞水性能进行了计算；然后，将吊舱和支架作为船体的尾附体，对船体绕流和阻力进行了计算；最后，对带对转式吊舱推进器船舶的自航工况进行了数值计算，并对计算结果进行了讨论。Streckwall et al5对采用吊舱推进器的新型渡轮进行了一系列完整的“数值拖曳水池”试验。该船型的推进系统由两部 Siemens-Schottel SSP 吊舱式推进器组成，共 4 个螺旋桨。数值计算主要基于 RANS 求解器。首先，他们应用 RANS 求解器对 SSP
6、 的敞水性能进行了数值计算，计算结果与试验数据的比较表明，敞水性能计算具有很好的精度；然后，在考虑波浪影响的条件下计算了裸船体绕流和阻力；最后采用三种不同的方法计算了带吊舱推进器的船体的绕流和阻力。在国内，海军装备研究院与上海交通大学海洋工程国家重点实验室合作，较早开展了吊舱推进器水动力性能的理论计算及试验研究。马骋等 6,7,8基于已有的螺旋桨升力面法和无升力体面元法，建立了吊舱推进器定常水动力性能的势流理论计算方法。在此基础上，对拖式、推式及双桨式吊舱推进器分别进行了计算和试验比较，并分析了吊舱在桨盘面处的诱导速度分布和螺旋桨载荷分布等的计算结果。与试验结果的比较表明，该方法可以较好地预报
7、拖式及推式吊舱推进器的定常水动力性能。盛立和熊鹰 9建立了混合式 CRP 吊舱推进器数值模型并置于数值空泡水洞内, 结合 RANS 方程和 SST k- 湍流模型, 运用滑移网格方法对混合式 CRP吊舱推进器在均匀流场中的水动力性能进行了数值模拟, 得到了敞水性能预报结果，并分析了混合式 CRP 推进器的非定常力；同时, 利用空泡水洞、吊舱动力仪及长轴动力仪对混合式 CRP 吊舱推进器敞水性能进行了试验研究。李巍等 10采用 CFD 方法对吊舱推进器粘流水动力问题进行了数值研究。基于混合面方法，在均匀来流情况下，数值预报吊舱推进器定常水动力特性，获得其推力系数、转矩系数等水动力性能参数。以单桨
8、拖式吊舱推进器为例，与试验结果对比，获得了很好的预报精度。胡健等 11为了分析船体形状对吊舱推进器的影响，研究了船后伴流中吊舱推进器的水动力性能。船后伴流用计算流体力学方法进行分析，吊舱推进器的水动力性能用面元法研究，吊舱和螺旋桨的相互影响用迭代方法求解，用蒙瑞诺解析公式计算螺旋桨和吊舱之间的诱导速度，结合船尾伴流的计算结果分析船尾伴流中吊舱推进器的水动力性能，并对船后不同位置吊舱推进器的水动力性能进行了比较。参考文献1 Achkinadze A S, Krasilnikov V I. A new velocity based BEM for analysis of non-cavitatin
9、g and cavitating propellers and foilsJ. Oceanic Engineering International, 2003. 7(1): 33-47. 2 Szantyr J A. A surface panel method for hydrodynamic analysis of pod pro- pulsorsR. Gdansk, Poland: Gdansk University of Technology, 2001.3 Chicherin I A, Lobachev M P, Pustoshny A V, et al. On a propulsi
10、on prediction procedure for ships with podded propulsors using RANS-code analysisA. In: Atlar M, Clarke D, Glover E J, et al. eds. Proceedings of the first International Conference on Technological Advances in Podded PropulsionC. University of Newcastle, UK. 2004. Newcastle, UK. University of Newcas
11、tle, 2004. 223-233. 4 Ohashi K, Hino T. Numerical simulations of flows around a ship with podded propulsor A. In: Atlar M, Clarke D, Glover E J, et al. eds. Proceedings of the first International Conference on Technological Advances in Podded Propulsion C. University of Newcastle, UK. 2004. Newcastl
12、e, UK. University of New- castle, 2004: 211-221. 5 Streckwall H, Gatchell S, Tigges K. A complete numerical model for podded propulsionA. Proceedings of the 9th Symposium on Practical Design of Ships and Other Floating StructuresC. Luebeck-Travemuende, Germany. 2004. Luebeck-Travemuende. Schiff-baut
13、echnische Gesellschaft e. V. , 2004. 154: 1-6.6 马骋，杨晨俊，钱正芳，等. 吊舱推进器推进性能预报理论研究 J. 华中科技大学学报，2004，32(3) : 29- 31.7 杨晨俊，钱正芳，马骋. 吊舱对螺旋桨水动力性能的影响J . 上海交通大学学报，2003，37 (8) : 1229-1233.8 马骋. 吊舱推进技术 M. 上海交通大学出版社，2007.9 盛立，熊鹰 . 混合 CRP 吊舱推进器水动力性能数值模拟及试验J. 南京航空航天大学学报，2012，44(2) : 184-190.10 李巍，汪蕾，杨晨俊，等. 吊舱推进器定常水动
14、力性能J. 上海交通大学学报，2009(2) : 204-207.11 胡健，黄胜，马骋，等. 船后吊舱推进器的水动力性能研究J. 哈尔滨工程大学学报，2008，29(3) : 217- 221.12 沈兴荣，蔡跃进，蔡荣泉，等. 吊舱式推进器水动力性能研究综述J. 船舶力学，2011(2) : 189-197.13 张庆文. 吊舱式 CRP 推进系统发展及应用前景J. 船海工程, 2007(2) : 57-60.14 廖慧清，魏海波，李祝清，等. 混合电力吊舱式推进系统 J. 船电技术, 2006( 1) : 1-3.15 廖慧清，孙培廷，李祝清，等. 吊舱式混合电力推进系统综合性能评估J.
15、航海技术，2005(6) : 49-52.二、研究目标、研究内容、拟解决的关键问题1. 研究目标(1) 探究吊舱推进器的数值模拟方法；(2) 通过 CFD 模拟，研究混合式 CRP 吊舱推进器的水动力性能；(3) 将 CFD 模拟与相关模型试验数据进行对照，分析数据的可靠性。2研究内容(1) 常规吊舱螺旋桨的水动力性能研究对常规吊舱螺旋桨进行建模与 CFD 计算，研究其水动力性能。(2) 对转桨(CRP)的水动力性能研究对对转桨进行建模与 CFD 计算，研究其水动力性能。(3) 混合式 CRP 吊舱推进系统的水动力性能研究熟悉 CFD 数值模拟的各种方法和各个湍流模式，选择运用最佳的湍流模式对
16、混合式 CRP 吊舱推进器进行数值模拟，得到模型在流场中的详细信息，分析该推进器的水动力性能。同时，通过试验得到推进器的相关水动力性能数据，并与 CFD 模拟的结果进行对比分析。3拟解决的关键问题(1) 数值计算方法的选取混合式吊舱推进器由两个螺旋桨(主动部分)和一个吊舱(被动部分)组成，三者之间存在负载的相互作用，因此设计问题比推进性能预报复杂得多。对转桨设计必须准确地把握前、后桨及其与船体之间的水动力相互作用，因而比单桨设计难度更高。在研究吊舱推进器的水动力性能时，CFD 方法可以分析复杂物体周围的湍流流动，是一种非常适用的工具。不过，基于不同的理论，吊舱推进器的数值模拟有多种不同的计算方
17、法，计算方法的合适选取与恰当运用将直接影响到模拟结果的可靠与准确度。(2) CFD 模拟中的网格划分高质量的网格，不仅能提高计算速度，更重要的是能得到更为准确的计算结果。对于混合式 CRP 吊舱推进器，作出高质量的网格划分，将对后面的数值模拟非常重要。(3) 吊舱与船体间相互作用的处理由于这种推进系统的复杂性，仅仅精确设计螺旋桨是不够的，还需要准确地预测吊舱的影响和前、后桨及其与船体间的水动力相互作用。三、拟采取的研究方法、技术路线1拟采取的研究方法(1) CFD 数值模拟对于吊舱推进器，水动力性能的理论计算方法一般可分为两种：基于势流理论的计算方法和基于粘性流理论的计算方法。吊舱推进器水动力
18、性能的势流计算方法主要包括升力面法(Lifting Surface Method)和面元法(Panel Method)。升力面法目前仍是螺旋桨理论设计所采用的主要工具。随着计算机速度和内存的不断提高和扩大，为便于数值计算，离散的涡分布，即所谓涡格法(Vortex Lattice Method)，得到越来越广泛的应用。面元法源自边界元方法(Boundary Element Method)，随着计算机速度的迅速提高和内存的增加，以它本身的特点越来越多地用于解决许多流体力学问题，目前已广泛用在螺旋桨性能计算和空泡几何形状预报中。粘性流方法是指应用 RANS 或 N-S 求解器，在粘性流场中对包括吊舱
19、、螺旋桨等在内的整个吊舱推进器的绕流和水动力进行数值计算。由于 RANS 方程或 N-S 方程考虑了流体的粘性影响，因此对于因粘性而产生的表面边界层的生成、发展与分离，桨叶梢涡的形成，推进器尾流场的结构，以及推进器的尺度效应等都有可能进行预报。与势流方法相比，粘性流方法在物理概念上更为完整。但是，粘性流计算往往会耗费大量的时间和资源，而且从实际应用来看，粘性流计算对网格划分、湍流模型及边界条件的处理等相当敏感。推进器的粘性流计算的主要难点在于对旋转中的螺旋桨的处理。目前主要有三种方法，即鼓动盘方法、体积力方法和滑动网格技术。前两种方法属于简化方法，把螺旋桨对船体、吊舱和支架的绕流的影响作为鼓动
20、盘(压力或速度跳跃)，或将盘面上的体积力引入船体、吊舱和支架的 RANS 方程，螺旋桨的水动力则一般应用势流方法计算，两者的相互作用由迭代法解决。而采用滑动网格技术则可以直接处理湍流中的螺旋桨。(2) 模型试验从试验方法上看，吊舱推进器的推进试验目前可分为两类。一类是将螺旋桨作为单独的推进单元，而把吊舱和支架等作为尾部附体，看作船体的一部分。采用这种方法进行实船预报，需要进行螺旋桨的敞水试验、带尾附体(指吊舱推进器不含螺旋桨的其它部分)的船体阻力试验及带整个吊舱推进器的自航试验。这种方法由于没有考虑螺旋桨和吊舱之间强烈的水动力相互作用，因而不能准确地确定船身效率和相对旋转效率。另一类则是将包括
21、螺旋桨、吊舱、支架、鳍在内的整个推进器作为一个独立的推进单元。采用该种方法，需要进行吊舱推进器的敞水性能试验、裸船体阻力试验及带吊舱推进器的自航试验。两种方法比较而言，后一种方法由于考虑了吊舱与螺旋桨之间的水动力干扰，因此具有更好的预报精度。2技术路线(1) 网格划分本文将主要采用 CFD 数值模拟方法。在进行 CFD 数值计算时，需要对空间上连续的区域进行离散化。目前常用的离散方法主要有：有限差分法、有限元法和有限体积法。其中在计算流体力学相关软件中，有限体积法应用比较广泛，它又称为控制体积法。本文拟应用的 FLUENT 流体计算软件采用的就是有限体积法，它的基本思路是：将计算区域划分为网格
22、，并使每个网格周围有一个互不重复的控制体积，将待解的微分方程对每个控制体积分，从而得到一组离散方程，通过求解方程组来得到详细的流场信息。(2) 滑移网格技术本文拟采用滑动网格技术来处理湍流中的螺旋桨。滑移网格技术的基本原理：将几何模型网格划分成几个区域，交界面两侧网格相互滑动，不要求交接面两侧的网格结点相互重合，但要计算交界面两侧的通量，使其相等。建模计算时，混合式推进系统中的前后螺旋桨拟采用滑移网格技术来实现其旋转效应，滑移面将整体网格分成固定区域和动区域，动区域之间以及动区域和固定区域间接触面上的网格尽量一致，接触面附近区域的网格要求尽量精细。四、课题特色与创新之处(1) 综合吊舱螺旋桨和
23、对转螺旋桨的混合式推进系统水动力性能研究；(2) 混合式 CRP 吊舱推进系统最为适用的数值模拟方法的探究。五、课题研究进展计划与预期研究成果1研究进展计划前期：（2012 年 9 月2013 年 2 月）查阅资料，比较与选择合适的数值模拟方法，使用软件建模，并尝试各种不同的网格划分，寻找最佳建模方案与网格划分方案。中期：（2013 年 3 月2013 年 8 月）对模型进行数值模拟以及调试，得到详细的数据。将数值计算数据与引用的试验数据进行分析比较，总结得出数值模拟的可靠性以及模型的水动力性能，从而对混合式 CRP 吊舱推进器的水动力性能进行预报。后期：（2013 年 9 月2013 年 10 月）论文的撰写、修改。2预期研究成果总结出混合式 CRP 吊舱推进器 CFD 计算中的网格划分经验，通过数值模拟、对推进器的水动力性能进行合理预报，对照试验数据分析数值模拟的可靠性，并尝试对吊舱推进器的水动力性能进行优化。
