哲社立项带有舵球式推力鳍的节能船用舵设计.doc

目 录1 研究背景及意义22 设计方案23 理论计算33.1数学模型43.2计算螺旋桨一舵一舵球系统性能43.3舵球式推力鳍舵球的组合体性能分析73.4敞水实验结果84 结论105创新点106 实物照片结论10参考文献11带有舵球式推力鳍的节能船用舵设计说明书 作品内容简介目前各高校、研究所通过对于船舶尾流能量回收技术与装置的研究开发出各种水动力的节能附加装置,在这些节能装置中,有些取得了较显著的节能效果,例如有舵球、舵附推力鳍、扭曲舵、等。在所有这些附体节能装置中,其中的舵球和舵附推力鳍以投资少、效益好、结构简单、安装简便等特点,对于提高船舶的航行性能,以及经济效率,应用前景十分广阔。考虑到推进节能装置安装的灵活性以及良好的节能效果,研究人员将两种或两种以上节能装置通过合理配置结合在一起,成为一体化节能推进系统。受此思路启发,我们将对集成舵球和舵附推力鳍的水动力节能组合装置一舵球式推力鳍的水动力特性进行研究。此种回收船舶螺旋桨尾流能量的水动力节能装置结合了传统的舵球节能装置与传统的舵附推力鳍节能装置两者的优点。综合了舵球可降低螺旋桨后中心部位紊乱的水流,减小这部分的能量损失的有点,又已用了推力鳍可回收螺旋桨后旋转能量起到助推节能的作用，投资少、安装方便,具有很好的应用前景。关键字：舵球、推力鳍、舵、节能、尾流能1 研制背景及意义近些年来,石油价格一直居高不下,世界范围内的节能减排已是大势所趋,全球范围内能源短缺,船舶作为交通运输中载运量比例最大的载运工具,航运业同时又是能耗大户,其节能技术的研究与开发,备受各个国家船级社和研究所关注。根据现有资料的统计数据表明,一艘20,000吨级的散装货轮,主机功率在8500kw的情况下,节省1%的燃料,每年可以节省50,000美元;相比散货船,一艘5000箱的集装箱船,主机功率在50,000kW情况下,节省1%的燃料每年可节省300,000美元，同时在2008年,国际海事组织明确提出了船舶能效设计指数(简称EED工)和船舶能效运营指数,最近又提出了执行时间表,船舶节能减排对我国的造船行业显得更为的迫切。因此,为了提高船舶的航行性能,减少船舶的营运成本,提高航运业经济效率以及社会效益,船舶节能减排是未来船舶行业一个不容忽视的问题。对于任何一种船舶来说,如果采用反应式推进器,那么都是靠拨水向后产生的反作用力作为推进船舶运动的,水流受到推进器的作用力,获得一个与推进器作用力,方向相反的附加诱导速度,加速向后运动的水具有一定的惯性质量,这部分水所具有的能量,可以占推进总能量的15%一30%,这样就造成了推进性能的能量损失,使船舶推进效率的提高受到一定的限制。近些年,我国工业与信息化部在船舶节能减排会议中,提出了一项重要的节能减排措施,即将船舶尾流能量回收技术与装置的研究,作为各船舶科研单位和船厂重点研究方向之一。因此,各种水动力的节能附加装置应运而生,在这些节能装置中,有些取得了较显著的节能效果,例如有舵球、舵附推力鳍、扭曲舵、襟翼舵、超级导流管等。在所有这些附体节能装置中,其中的舵球和舵附推力鳍以投资少!效益好!结构简单!安装简便等特点,对于提高船舶的航行性能,以及经济效率,应用前景十分广阔,是船舶节能减排工作中重要的组成部分。2 设计方案 为了对比试验说明带有舵球式推力鳍的船用舵的推进效率比带舵球的船用舵的推进效率更高。我们用fient软件模拟计算了两种不同的船用舵。计算了桨一舵一舵球和桨一舵一舵球式推力鳍这两个系统在不同进速系数下的推力系数、转矩系数以及效率,得出了舵球和舵球式推力鳍这两种桨后装于舵上的附加节能装置的节能效果。3 理论设计计算在应用FLUENT软件进行流动模拟的过程中,主要用到建立几何模型和生成网格的前处理软件GAMBIT、求解器FLUENT和分析流动计算结果的后处理器TECPLOT。具体步骤如下:(1)在GAMBIT中创建几何模型和网格模型;(2)将网格模型导入FLUENT求解器,并检查网格模型是否存在问题;(3)选择求解器,确定计算模型,即是否考虑粘性,是否多相流等;(4)定义材料物性,设置边界条件及边界类型;(5)设置求解控制参数;(6)输入初始条件,对流场进行初始化;(7)开始求解,流场迭代计算;(8)显示和输出计算结果。3.1数学模型3.1.1 控制方程流体动力学控制方程是一组包括连续性方程（质量守恒方程）、动量守恒方程（N-S方程）和能量守恒方程的微分方程组。船舶螺旋桨运动速度通常较低，周围流动可以看做不可压缩流动，不考虑能量的交换，且流体密度不发生变化，连续性方程可以写成： (1)动量守恒方程可以写成： (2) 其中，为速度分量时均值，为压力时均值，为流体密度，为流体粘性系数，为雷诺应力项。方程中的雷诺应力项属于新的未知量，方程组未封闭，此时需要引进新的湍流模型方程，把应力项中的脉动值与时均值联系起来，使得方程封闭。3.1.2 湍流模型本文采用的湍流模型为粘涡模型7，该模型不直接计算雷诺应力项，而是引入湍动粘度或涡粘系数，把雷诺应力表示成湍动粘度的函数，然后建立了基于两方程的计算公式。粘涡模型是应用广泛的一个模型，是一个半经验公式，主要是基于湍流动能和扩散率。表示湍流动能，其对应方程是精确方程。表示湍流耗散率，其对应方程由经验公式导出。本文选择的重整化群(RNG)模型，是在标准模型基础上进行粘性修正得到，方程组可以表示为： (3) (4)其中，.3.1.3数值计算方法计算螺旋桨流场的数值方程为三维不可压缩RANS方程，计算时采用有限体积法进行离散，扩散项采用中心差分格式，对流项采用一阶迎风格式，压力速度耦合采用SIMPLE算法。3.2 计算螺旋桨一舵一舵球系统性能在计算螺旋桨一舵一舵球系统性能时,系统的推力击考虑到舵和舵球产生的附加推力部分,即系统总推力系数为 转矩系数 式中,p表示水的密度;n是螺旋桨旋转速度;D为螺旋桨直径;T和Q分别是螺旋桨的推力和转矩; 图1 桨一舵一舵球系统模型图2桨一舵一舵球的网格划分 图3 网格细节图J0.20.30.40.50.60.7Tp(N)104.83691.514576.828861.351345.003127.2997Tb(N)-0.8211-1.1007-1.3601-1.6166-1.8765-2.0911Tr(N)-1.3671-1.766-2.1833-2.6052-3.0225-3.4409Q(Nm)2.06371.87951.67261.44531.19250.9018F(N)1.3070.759-0.58-2.21-3.46-4.47KT0.25010.21650.17940.14020.09890.054310KQ0.27930.25440.22640.19560.16140.12220.2850.40630.50440.57040.58520.4953表1桨一舵一舵球系统定常计算结果(作为非定常计算的初始值) J0.20.30.40.50.60.7Tp(N)104.543291.447677.043761.590145.071827.1362Tb(N)-0.9078-1.2502-1.483-1.709-1.9311-2.1225Tr(N)-1.0368-1.663-1.898-2.1247-2.3394-2.5367Q(Nm)2.05781.87131.66691.4391.1820.8874F(N)1.0210.93590.0137-0.9553-1.5854-1.6978KT0.24890.21480.17870.14010.0990.0545310KQ0.27850.25330.22560.19480.160.120120.28450.40490.50430.57250.59080.5057表2桨一舵一舵球系统非定常计算结果图3桨一舵系统与桨一舵一舵球系统效率曲线的比较J0.20.30.40.50.60.7(%)0.460.1980.260.370.752.31 表3舵球节能效果 3.3、舵球式推力鳍是舵球和推力鳍的组合体性能分析 图4 桨一舵一舵球式推力鳍的三维视桨一舵一舵球式推力鳍系统总推力系数为 系统转矩系数为 系统效率为 上述数据使把在不同进速系数下,各剖面形状下最佳安装角的舵球式推力鳍一桨-舵与之前的桨一舵!桨一舵一舵球系统的效率比较。J0.20.30.4Tp(N)104.68491.417677.2115Tb(N)-1.0172-1.3454-1.601Tr(N)0.2113-1.663-1.898Q(Nm)2.05781.86831.6634F(N)1.6451.40.8046KT0.24950.21520.179110KQ0.27790.25290.225120.28580.40630.5065表4桨一舵一舵球推力鳍系统非定常计算结果图5加装舵球式推力鳍与普通的桨舵系统的效率比较曲线3.3带舵球式推力鳍舵模型敞水实验结果在船模水池做舵的敞水实验，对比舵球推力鳍的节能效果与普通舵的节能效果得到如下的实验数据J（实际）T0T1QKTm10KQm(-)(N)(N)(N.m)(-)(-)(-)0.20 0.069 -123.506 2.596 0.272 0.319 0.260.30 0.069 -108.106 2.331 0.237 0.285 0.390.39 0.069 -90.200 2.031 0.196 0.246 0.500.44 0.069 -81.141 1.866 0.176 0.226 0.540.49 0.069 -72.117 1.698 0.156 0.205 0.590.54 0.069 -62.636 1.528 0.134 0.183 0.630.59 0.069 -52.738 1.327 0.114 0.158 0.670.64 0.069 -42.267 1.137 0.090 0.135 0.670.68 0.069 -31.688 0.936 0.069 0.111 0.67 表5 带舵球式推力鳍的舵实验数据 图6与普通舵的敞水效率曲线比较J0.10.1380.14560.0520.20.2690.28480.0550.30.3930.41470.0530.40.5000.53140.0610.50.5980.62740.0480.60.6720.68550.0180.650.6730.68680.020表6 舵球推力鳍节能效果节能效果如下式计算所得：其中，为加装舵球推力鳍之后的桨-舵-舵球推力鳍系统的效率，为普通舵的桨-舵系统效率。加装舵球推力鳍之后的节能效果如表6所示。可以看出，舵球推力鳍的节能效果大约提高为1.8%-6.2%4 结论上海船舶研究所通过实验表明舵球的节能效果3%一5%。试验及计算表明,舵附推力鳍回收尾流场的部分旋转能量,通过整合产生的附加推力,其助推效率可达3%一4%。我们将舵球与推力鳍相结合设计的带有舵球式推力鳍船用舵，经过软件计算在舵球的基础上增加推力鳍能够提高效率大约1%，比普通舵提高效率大约4%-6%通过船模敞水实验比较舵球推力鳍的节能效果比普通舵提高大学1.2%-6.2%软件模拟的结果与敞水实验所得的相吻合。还能够看出此种回收船舶螺旋桨尾流能量的水动力节能装置结合了传统的舵球节能装置与传统的舵附推力鳍节能装置两者的优点。既可降低螺旋桨后中心部位紊乱的水流,减小这部分的能量损失,又可回收螺旋桨后旋转能量起到助推节能的作用，投资少、安装方便,具有很好的应用前景。5创新点及应用该装置创新性的结合了传统的舵球节能装置与传统的舵附推力鳍节能装置两者的优点。综合了舵球可降低螺旋桨后中心部位紊乱的水流,减小这部分的能量损失的有点,又已用了推力鳍可回收螺旋桨后旋转能量起到助推节能的作用，投资少、安装方便,具有很好的应用前景。6、实物照片参考文献1 蒋德志,辛春安.基于现代混合推进技术的船舶节能J.交通节能与环保,2006(3)：4-6.2 曹关桐.船舶简单实用的节能附体J.天津航海,1994,4:15-19.3 川崎重工,田岛山野.一种节能型舵球系统J.周风啸译自(Shipbuilding Technology international95)4 裴为民,杨怀蜀.