[01146287]船舶与海洋结构物特种水动力推进装置及复杂环境下性能测试分析系统

项目来源于国家自然科学基金3项;横向项目1项。 项目背景与意义 步入21世纪以来,船舶作为交通运输中载运量比例最大的载运工具,随蓿物流业的进一步发展发挥着越来越重要的作用。但在金融危机和全球气候变化的大背景下,国际油价飞涨,资源能源短缺问题正在被世界各国政府、实业界和科技部门密切关注。而以运输船舶、海洋工程船为代表的船舶与海洋结构物也是能源消耗和污染排放大户。如何控制营运成本、提高经济效益和社会效益以及为节能减排、绿色航海提供技术支持,是一项十分有意义的工作。加之国际海事界船舶能效设计指数（EEDI）和能效营运指数（EEOI）的提出和逐步施行,节能问题的研究已经成为我国国民经济发展中的长期战略任务之一。特种水动力推进装置的研发有利于提高我国船舶与海洋工程设计制造领域的国际地位,同时也是目前国际船舶界提出的“船舶节能减排”方面重要的研发目标。 此外,随着航运需求的扩大和特种船舶的发展,船舶高速化、大型化的趋势日益明显,空化与噪声问题被进一步提出。一些民用商船尽管航速并不很高,但其桨由于需要在船尾不均匀伴流场中工作并提供大额推力也出现了空化。近现代机械工业的发展、机械设计安装的精密化、浮筏等隔振减振装置的使用,使得机械噪声降低趋势明显,相应就使得水动力推进装置的空化和噪声问题日渐突出。有关空泡的动力学特性、辐射噪声性能、与结构物的流固耦合,以及如何有效开展噪声预报、抑制噪声水平、提高船舶适居性等问题都亟待研究解决。 伴随着新型特种水动力推进装置概念的出现,一些更复杂的水动力、空泡、噪声等性能的研究就显得尤为重要,这离不开理论、数值以及试验等分析测试手段。在此背景下,组合式推进系统中桨、舵、节能附体以及与船体的相互干扰,船体摇荡运动及波浪对实际节能效果的影响,斜航、动态操舵等复杂工况以及非均匀粘性流场中的模拟仿真,异形、仿生推进装置的模型建立、机理研究和参数优化,影响推进器噪声的自身因素和环境因素,多推进器的负荷分配以及对效率、空化和噪声的影响,还有相应试验的方案设计、模型加工、复杂流场精细信息捕捉……这一系列问题所要用到的分析测试方法,都与传统常规情形有很大不同。 在升力线理论、升力面理论、面元法等势流方法,以及近年来广泛研究的基于粘流理论的CFD方法逐渐成熟的同时,近年来逐渐兴起的粒子图像测速（PIV）技术、高速摄影成像等精确、直观的试验测量技术,也为相关研究拓宽了思路。开发形成一套有效、完备的水动力、噪声等性能分析测试方法和工具,对推动水动力特种节能推进装置的研究具有重要的理论意义和实用价值。 研究目的 1. 探索特种节能推进领域中的尾流场分布、船-桨-舵-节能附体相互干扰和匹配、船首分水式推进、凹凸结节导缘仿生翼型增推降噪、空泡发展与分布、气液两相流辐射噪声等问题的流体动力学机理,为有关工程应用研究奠定理论基础。 2. 分析影响船舶和特种节能装置水动力性能、空泡和噪声性能以及CFD仿真计算精度和效率、流场测量精度的多方面因素,为船、桨、节能装置的优化设计、选型、配置提供数据和经验支持。 3. 提出创新型的仿生凹凸导缘螺旋桨、船首分水式推进以及一体化节能桨舵组合推进理念,设计开发相关装置产品,检验实际节能效果及其应用可行性,为降低推进装置的能耗和噪声水平、提高船舶的快速性指标、积极参与国际范围内的技术竞争和新型船舶产品的竞标提供保障,提高我国在EEDI海事减排等规范领域的话语权。 4. 建立体系化的分析、预报、测试和评估方法,积累 CFD数值模拟计算、PIV测量技术的实际应用经验,探索改进计算效果和测试水平的可行方法,针对粘性流、非定常复杂流场中、非设计工况下船体、大侧斜桨、吊舱推进器、喷水推进器和特种节能推进装置的阻力、推力、转矩等水动力性能、空泡分布范围和辐射噪声级进行快速、准确的计算和评估。 创新点及应用前景： 本课题围绕船舶与海洋结构物特种水动力推进装置的概念提出、参数选型、优化设计、性能预报、模型试验、效益评估,展开了3大类专题的研究： 专题A：概念提出、变参数优化设计及水动力性能分析; 专题B：空泡、噪声机理研究、性能评估及改善策略; 专题C：基于粒子图像测速（PIV）、高速摄影等技术的试验方法探索。 为降低推进装置的能耗和噪声水平,提高船舶的快速性指标,积极参与国际范围内的技术竞争和新型船舶产品的竞标提供保障,提高我国在EEDI海事减排等规范领域的话语权,研制了水动力性能和空泡噪声性能仿真计算方法、特种水动力推进装置的设计方法以及试验模型等成果。该套特种水动力推进装置的试验模型能够按照设计要求实现节能2%-5%,满足推进与操纵性能要求。