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1、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，降低推进系统安装与维护成本，提高可靠
2、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进功率已达到当今世界上最好的
3、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。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 ali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，该方法可以较好地预报拖式及推式吊舱推进器的
4、 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数间的关系。Ohashi和
5、Hinoa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 al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的敞水性能进行了数值计算，计算结果与试验数据
6、 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拖式及推式 吊舱推进器的定常水动
7、力性能。盛立和熊鹰建立了混合式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
8、。胡健等uh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-cavitating and cavitating propell
9、ers 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 propulsion prediction procedure fo
10、r 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 Newcastle, 2004. 223-233.4 Ohash
11、i 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. Newcastle, UK. University of Newcas
12、tle, 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-bautechnische Gesellschaft e. V ,
13、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力性能J.上海交通大学 学报，2009(2) : 204-207.11 胡健，黄胜，马
14、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.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
15、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
16、 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。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
