拖网渔船导管桨舵干扰的水动力性能研究.pdf

图书分类号 密级 UDC 学术学位硕士研究生学位论文学术学位硕士研究生学位论文 拖网渔船导管桨-舵干扰的 水动力性能研究 作者姓名：王贵彪 指导教师：谢永和 教授 学科专业：捕捞学 所在学院：水产学院 提交日期：2013 年 4 月 浙江海洋学院硕士学位论文浙江海洋学院硕士学位论文 拖网渔船导管桨-舵干扰的 水动力性能研究 作者姓名：王贵彪 指导教师：谢永和 教授 学位类别：农学 学科专业：捕捞学 学位授予单位：浙江海洋学院 论文答辩日期：2013 年 5 月 29 日 论文答辩委员会签字：答辩日期：年 月 日 A Dissertation for Masters Degree Submitted to Zhejiang Ocean University Research on Hydrodynamic Performance of the Interaction between Ducted Propeller and Rudder of Trawler Candidate:：Wang Guibiao Supervisor：Professor Xie Speciality：Fishing Science Date Of Submission：May 2013 论文原创性声明论文原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系在导师指导下本人独立完成的研究成果。文中依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。本人如违反上述声明，愿意承担以下责任和后果：交回学校授予的学位证书；学校可在相关媒体上对作者本人的行为进行通报；本人按照学校规定的方式，对因不当取得学位给学校造成的名誉损害，进行公开道歉；本人负责因论文成果不实产生的法律纠纷。论文作者签名：日期：年 月 日 论文知论文知识产权权属声明识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属浙江海洋学院。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为浙江海洋学院。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年 月 日 日期：年 月 日 中国博士学位论文全文数据库和中国博士学位论文全文数据库和 中国优秀硕士学位论文全文数据库投稿声中国优秀硕士学位论文全文数据库投稿声明明 研究生处：本人同意中国博士学位论文全文数据库和中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生处向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的中国博士学位论文全文数据库和中国优秀硕士学位论文全文数据库投稿，希望中国博士学位论文全文数据库和中国优秀硕士学位论文全文数据库给予出版，并同意在中国优秀博硕士学位论文全文数据库和中国优秀硕士学位论文全文数据库以及 CNKI 系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。论文级别：硕士 博士 学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年 月 日 日期：年 月 日 作者联系地址（邮编）：作者联系电话：摘 要 I 摘要摘要 进入 21 世纪以来，渔业资源枯竭和能源危机不断加剧，渔船的节能问题日益突出。如何最大限度回收利用螺旋桨尾流所带走的能量，更是成为了国内外该领域专家研究的焦点。本文以 42m 拖网渔船的导管螺旋桨作为研究对象，具体的内容包括以下几个方面：首先以标准螺旋桨 DTRC4119 作为研究对象，利用 CFD 商业计算软件 Fluent，采用不同的湍流模型计算其敞水水动力性能，并与试验值进行比较。在浙江海洋学院渔具与水动力实验室进行了导管螺旋桨的模型试验，同时采用Fluent 软件提供的 MRF 法和滑移网格技术计算了导管桨的水动力性能，并与试验结果进行比较，分析了误差产生的原因。接着对导管桨-舵系统的水动力性能进行了数值模拟，分析了舵的存在对导管桨的尾流场及水动力性能的影响，计算了不同舵角下导管桨-舵系统的水动力性能。最后针对 42m 拖网渔船导管桨设计了 3 种不同形状的舵球，并比较了它们的节能效果。并对其中节能效果最理想舵球的两个主要参数（舵球直径和桨毂与舵球间距）进行变尺度计算，分析了各个参数对舵球节能效果的影响规律。同时，比较了不同舵转角下舵球的节能效果，研究了舵转角对节能效果的影响。关键词：水动力性能；导管桨-舵系统；舵球；节能 摘 要 II ABSTRACT Since 20th century,exhaustion of fishery resources and Energy Crisis becomes more and more serious,energy saving of fishing vessel is increasingly outstanding.How to recover and utilize the energy from propeller wake to a maximum extend，has been a focus studied by the domestic and foreign experts in the field.This test chose the ducted propeller of 42m trailer as the study object,the main content are as followed:First，with the standard propeller DTRC4119,the hydrodynamic performance of it was carried out according to the different turbulent flow by using the commercial CFD software Fluent,and compared with the experimental date.The model experiment of the ducted propeller was done at laboratory of fishing gears and hydrodynamic in Zhejiang Ocean University,MRF and the siding mesh that provide by Fluent were used to calculating the hydrodynamic performance of it at the same time.The result was compared with the test date and the causes of errors were analyzed.Then,the hydrodynamic performance of ducted propeller-rudder system was numerically simulated.The existence of rudder effect on the hydrodynamic performance of the ducted propeller and the wake flow was analyzed,and the hydrodynamic performance of propeller-rudder system under different rudder angles was calculated.At last,three different shape of rudder ball for the ducted propeller of 42m trailer were designed and their energy-saving effect were compared.The variable scales of the principal parameters(the rudder ball diameter,the clearance between rudder ball and propeller)of rudder ball which has the ideal energy-saving effect were investigated,and the low of effect of each parameter on energy-saving effect was analyzed.At the same time,the energy saving effect of the rudder ball was compared，and the analysis of influence of rudder angle on the effect of energy-saving was competed also.Key words:hydrodynamic performance;ducted propeller-rudder system;rudder ball;energy-saving 目 录 目 录 摘要.I ABSTRACT.II 第一章 绪论.1 1.1 引言.1 1.2 渔船节能附体简介.2 1.3 桨-舵干扰的研究综述.5 1.3.1 桨-舵干扰的理论及数值模拟研究.5 1.3.2 桨-舵干扰的试验研究.6 1.4 论文的创新点.7 1.5 论文的主要工作内容.7 第二章 CFD 数值模拟的基本理论及其可靠性的验证.9 2.1CFD 控制方程简介.9 2.1.1 质量守恒方程.9 2.1.2 动量守恒方程.10 2.2 常用湍流模型简介.12 2.2.1 k-模型.12 2.2.2 SST k 模型.13 2.2.3 Reynolds 应力模型（RSM）.14 2.3 边界条件的处理.15 2.4 离散化的基本方法.15 2.4.1 有限差分法.16 2.4.2 有限元法.16 2.4.3 有限体积法.17 2.5 数值网格生成方法.18 2.6 数值模拟计算结果的可靠性验证.19 2.6.1 螺旋桨模型的建立.19 2.6.2 计算域选取与网格划分.20 2.6.3 边界条件与求解参数设置.21 2.6.4 求解结果分析.21 2.7 本章小结.27 第三章 导管桨水动力性能研究.29 3.1 导管桨敞水试验研究.29 目 录 3.1.1 试验设备.29 3.1.2 试验方案.31 3.1.3 试验结果.32 3.2 导管桨水动力性能计算.34 3.2.1 计算模型与网格划分.34 3.2.2 边界条件及求解参数设置.36 3.2.3 导管桨数值模拟结果.36 3.2.4 导管桨定常问题的非定常算法.36 3.3 结果分析与比较.37 3.4 本章小结.42 第四章 桨-舵系统水动力性能研究.43 4.1 桨-舵系统水动力性能计算.43 4.1.1 几何模型与计算域的创建.43 4.1.2 网格的划分.44 4.1.3 边界条件的设置.45 4.1.4 数值计算结果与分析.46 4.2 舵对导管桨尾流场的影响.49 4.3 不同舵转角对系统水动力性能的影响.52 4.4 本章小结.58 第五章 桨-舵-舵球系统水动力性能计算.59 5.1 节能舵球的数值模拟.59 5.1.1 节能舵球的设计.59 5.1.2 数值计算结果.60 5.1.3 舵球节能机理分析.64 5.2 舵球直径优选.66 5.3 桨毂与舵球距离优选.68 5.4 舵转角对节能效果的影响研究.69 5.5 本章小结.71 6.1 结论.72 6.2 展望.73 参考文献.74 致 谢.77 在读期间发表的学术论文及研究成果.78 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 我国作为世界第一渔船大国，海洋捕捞渔船数量众多，其中群众渔业的渔船占了主导地位，但是群众渔业船舶船型混杂，船龄老化，推进装置形式单一，总体技术水平落后，年消耗燃油巨大。这不仅影响了渔船的作业效率，大大制约了渔业生产的发展，还增加了渔船的能耗，同时可能会给渔业生产带来安全隐患1-3。近年来，随着国际燃油价格的不断上涨，尽管我国对国内生产作业的渔船给予了适当的柴油补助，但是渔业生产的经营仍然越来越困难，许多渔船被迫停港或转产。渔船节能减排不仅关系到我国渔业的可持续发展，也关系到我国的能源安全、节能减排、保护环境4。因此，提高渔船节能减排水平，对降低渔船生产成本、增加渔民的收入具有极其重要的现实意义。自 70 年代以来，国内外相关专家都大力开展了渔船节能的研究。一方面从动力机械着手，降低单位功率耗油量，提高动力装置效率以及研究节能捕捞作业方式等；另一方面从船舶性能考虑，降低服务航速，减小船体阻力及提高推进效率等。（1）提高柴油机的效率。柴油机是渔船直接消耗能源的主要设备，提高柴油机的效率是研究渔船节能最直接的途径。例如利用新型节能柴油机来替代老旧柴油机，在燃油里添加燃油附加剂，加大对柴油机的废气和余热利用等等都能提高柴油机的效率5。（2）采用节能捕捞作业方式。渔具节能是渔船节能的一个重要组成部分。以拖网渔船为例，采用高科技网衣、网线和网型设计方法，改进网具的装配技术等方法均能起到减少拖网阻力的作用，从而降低拖网渔船作业的能耗。利用流刺钓等耗油少、成本低、渔获优的节能型作业方式来代替传统的耗能较大的拖网作业也是采用节能作业方式的一种体现。除此之外，在渔船上安装先进的助渔导航设备以及利用 LED 节能集鱼灯，能使捕捞产量上升，同样能起到明显的节油效果6。（3）选择渔船的最佳经济航速。适当降低设计航速，可使推进船舶所需要的主机功率减小，这种措施在节能效果上比其他节能措施更为显著。一般来说，对于主尺度一定的渔船，按照使用情况以及作业工况都有一个最佳的经济航速，这个最佳航速是技术因素和经济因素的函数。（4）开展优秀船型和标准船型的研究，降低渔船航行阻力。船舶所需的主机功率，在很大程度取决于船体的水动力性能，因而船体型线设计的好坏对节能效果影响甚大，只有对船体型线作出较大改进才能使主机功率大幅度减小。但船体型线的设计并不孤立，而受到多种因素的影响，因此，在具体设计船体型线时应根据不同渔船的 作者简介 王贵彪，浙江海洋学院捕捞学硕士研究生，浙江-奉化人 项目来源 农业部公益性(农业)科研专项：渔船动力系统节能关键技术研究与产品开发(项目批准号：201003024)拖网渔船导管桨-舵干扰的水动力性能研究 2 特点和其他因素进行综合考虑。（5）提高螺旋桨的推进效率。这方面技术发展主要集中在采用低转速螺旋桨和研制非常规高效螺旋桨。比如不产生梢涡的螺旋桨，大侧叶片螺旋桨和同轴对转螺旋桨，以及采用导管螺旋桨等。（6）优化船、机、桨、舵的最佳组合匹配，提高推进效率。其中优化桨-舵匹配具有更大的灵活性，螺旋桨和舵的安装距离比较近，存在着相互干扰，积极利用这种有利干扰可以提高推进效率7。因此，通过安装渔船尾部水动力附加节能装置来加强桨舵间的水动力干扰也可以达到很好的节能效果。1.2 渔船节能附体简介渔船节能附体简介 目前对渔船推进与节能效果有显著效果的装置主要有以下几种8：（1）前置导管 前置导管将整个导管置于螺旋桨的前方与船尾连成一体，不但可以使船体阻力减少，减小螺旋桨桨片空炮面积，提高推进效率，而且可以降低船体振动，改善船舶操纵型。实船试航证明，这种前置导管螺旋桨的节能效果可达 5%左右。图 1-1 前置导管 Fig1.1 Front duct （2）进流补偿导管 补偿导管兴起于 80 年代，适用于螺旋桨负荷为中、轻载的情况，主要安装在船尾螺旋桨前纵中剖面两侧的船体上，偏置与桨轴上方，由左右两个半环组成。与常规导管相比，它建造费用低，在已运营的旧船上安装更加方便，对于限制螺旋桨直径的情况，节能效果更明显。（3）舵附推力鳍 舵附推力鳍是回收螺旋桨尾流能量的一种节能装置，即将桨后残留的旋转能量转换为推力所做的功，安装在桨后的舵上或挂舵臂上。最佳效益与鳍片的翼弦、翼展与安装角密切相关。（4）反应鳍 第一章 绪论 3 反应鳍亦称整流推进器，是一种较早出现的节能装置，由若干片与水流成一定攻角的鳍叶组成，位于螺旋桨的前方，能给螺旋桨提供一个与其旋转方向相反的预旋水流，减小了尾流中的能量损失，以达到节能目的。（5）导轮推进装置 导轮安装在螺旋桨后面的桨轴上，可自由转动。一般由内圈（处于螺旋桨尾流区内）和外圈（尾流区外）两部分组成。内圈为水轮机翼片，用于吸收尾流能量并使导轮旋转；外圈为普通螺旋桨机翼，用于产生推力传递到船体上，从而获得节能效果。（6）尾导流鳍和水平首鳍 尾导流鳍由若干片安装在螺旋桨前方船尾两侧船体上的导流叶片组成，叶片将船体表面不同流向的水流平缓地截住，并水平导向螺旋桨，改变螺旋桨前的不利水流，回收能量，从而提高推进效率。水平首鳍是水平安装在首部周围稍高于静水面的一个或一对鳍，它的安装抑制了波浪的产生，降低了沿船长方向的压力差，降低了兴波阻力，从而达到节能的目的。（7）舵球节能技术 舵球为一个流线型的回转体，安装在正对螺旋桨轴心线的舵上。填充了螺旋桨毅帽后的低压区，对桨后的水流有良好的整流作用，减少了紊流涡流引起的能量损失，从而实现节能的效果9-11。图 1-2 舵球位置示意图 Fig1.2 schematic diagram of rudder ballposition（8）毂帽鳍节能技术 毂帽鳍(Propeller Boss Cap Fins，简称 PBCF）,是一种在螺旋桨毅帽上附装若干块平板状鳍的装置如图 1-3 和 1-4 所示。毂帽鳍改善了毂帽附近流体的流动，并减弱了桨毂涡；降低了螺旋桨轴的转矩；同时由于对螺旋桨的干扰作用的存在，使得整个螺旋桨推力得以增加12。拖网渔船导管桨-舵干扰的水动力性能研究 4 图 1-3 毂帽鳍 Fig1.3 Propeller boss cap fins 图 1-4 螺旋桨上安装的毂帽鳍 Fig1.4 Installing PBCF on propeller（9）组合式节能装置 由于不同节能装置所利用尾流回收原理及方式不同，众多研究者将两个或者两个以上的节能装置合理的结合到一起，形成组合式节能装置。例如补偿导管导流罩、舵球鳍、导管推力鳍、前置导管-舵球装置等等。根据文献【8】和【9】，各种常见节能装置的效果如下表所示：表 1-1 常见节能装置效果汇总 Tab1.1Summary table of effect of energy conservational appendage 节能装置名称 节能效果 开发国家 我国开发技术的节能效果 模型 实船 模型 实船 前置导管 5%日本 节省主机功率 7%进流补偿导管 6-11%德国 5.4%舵附推力鳍 4-5%3%日本 5%4-8%反应鳍 节省主机功率 5%5%导轮推进装置 5-15%6-12%德国 10%尾导流鳍 4-6%水平首鳍 降低阻力 8-39%舵球 4%4%日本 4%4%毂帽鳍 2-5%4%日本 2-4.5%2-4.5%补偿导管导流罩 6-12%4.6-12%舵球鳍 5-7%5-7%日本 4.0-14%4.7-7.4%导管推力鳍 4%4-5%第一章 绪论 5 1.3 桨桨-舵干扰的研究综述舵干扰的研究综述 1.3.1 桨桨-舵干扰的理论及数值模拟研究舵干扰的理论及数值模拟研究 船-桨-舵的尾流场理论计算，桨后舵水动力性能理论计算，舵前桨水动力性能理论计算，船-桨-舵组合体水动力性能理论计算等等都属于桨-舵相互干扰相互作用的理论研究范畴内。早期的桨-舵干扰理论研究都是利用升力线模型进行定性分析。例如：在 1965 年，W.H.Isay13对桨舵的相互作用问题给出的定性分析就是使用了线性化的升力线理论进行计算的；而 S.Tsakonas14等在没有考虑桨叶厚度影响的情况下，首次预报的桨舵相互干扰非定常水动力，也是通过采用了加速度势法的线性升力面理论来获取；随后为了反映桨叶和舵的厚度效应，在 1972 年，S.Tsakonas15等又引入压力源，但其计算仍然局限于线性化的薄翼理论中。在进入 80 年代后，升力面理论的快速发展，使桨-舵干扰的理论研究有了突破性的进展。1980 年，通过分析对比以往桨舵相互影响相互干扰的研究结果，中武一明15发展了一个螺旋桨与舵互相干扰的水动力性能理论预报方法，来计算桨舵互相干扰的水动力。然而该方法对螺旋桨仍采用无限叶数模型，虽然通过计入舵厚度的影响来改进前期的计算结果，但仍然没有突破薄翼假设。随后，森山文雄利用厚翼理论求解了桨舵互相干扰的水动力，使得桨舵干扰的研究工作得到了进一步的突破。此外，池田光尚在 1988 年分析了舵对螺旋桨推力、转距及效率的影响16，也是应用了非定常数值的升力面理论。在国内，杨建民17等对反应舵在螺旋桨尾流中的水动力性能及桨舵干扰进行了研究。中国船舶科学研究中心的董世汤和朱自理18用时域内谐调分析的方法进行了非定常桨舵干扰的水动力性能计算。上海交通大学的张建华、王国强、蒋少剑19分别用非定常涡格法和基于速度势的非定常面元法来求解螺旋桨和舵，在时域范围内对桨舵的相互干扰问题进行了研究。而后，蒋少剑20采用了升力面或面元法的各种组合对螺旋桨和舵干扰进行了计算研究，得到了不少具有启示意义的结论。武汉交通科技大学的王德询21通过采用weissinger物理模型和Kerwin物理模型的数值升力面理论来求解螺旋桨，而用涡环栅格法来求解舵，并且考虑了两者间的相互影响，开展了大量的桨后舵以及桨舵组合体水动力性能的理论计算工作。随后，该方法又被推广到非定常水动力性能的预报，使计算工作大大减少。马骋22等在 2005 年建立了螺旋桨-舵-舵球推进组合体水动力性能的计算机仿真系统，研究了螺旋桨-舵-舵球推进组合体水动力性能的计算方法，建立了相关的仿真数学模型。覃新川23等利用较为简捷的扰动速度势的基本积分方程，从解面元法的基本积分方程得到偶极强度，直接求得流场中的速度势分布；同时为了避免在物面上的拖网渔船导管桨-舵干扰的水动力性能研究 6 数值求导，用 Yanagizawa 方法求得物面上的速度分布并通过 Bernoulli 方程计算桨舵的压力分布，以此计算桨舵的升力系数等宏观量，再通过迭代的方式考虑桨舵的相互影响。而在 2011 年，何苗、王超等24为研究舵球几何参数对螺旋桨水动力性能的影响，用面元法计算了螺旋桨-舵-舵球系统的推进性能。采用双曲面元以消除面元间隙，对舵球网格进行加密，螺旋桨弦向和展向采用余弦划分方式，用迭代计算考虑螺旋桨与舵及舵球之间的相互干扰。螺旋桨与舵之间的诱导速度在面元处进行周向平均，将非定常问题转化为定常问题。1.3.2 桨桨-舵干扰的试验研究舵干扰的试验研究 在 60 年代以前，桨舵干扰水动力性能的研究主要是实验工作研究。早在 1933 年，日本的山县昌夫25就已经通过桨-舵干扰实验对各种舵在有无桨时的阻力进行对比。1953 年，通过在水池中进行的一系列桨后舵的实验研究，前苏联克雷洛夫科学总院得到了舵角、展弦比、厚度比、桨舵间距、桨舵中心线偏离量、螺旋桨负荷系数等参数的变化对桨后舵的水动力性能影响规律。1981 年，在对上述数据资料进行分析的基础上，武汉交通科技大学的钟国平26分析了敞水舵和桨后舵的水动力性能，建立了两者之间的近似关系式。而在 60 年代初，通过循环水槽中进行的桨舵干扰的系列试验研究，日本的冈田正次郎不但分析得到了各个参数对螺旋桨后舵的水动力性能的影响规律，还给出了螺旋桨尾流流向舵的来流角沿舵展向变化及操舵速度的影响。Stierman27在系列桨舵干扰试验的基础上，绘制了大量舵零攻角情况下水动力性能曲线图。此外，也有在风洞中进行试验研究的，例如 Molland28以及前苏联的高夫曼在风洞中进行的桨舵干扰试验研究取得了较大成果。日本的众多学术研究者如山崎隆介、马昌荣一等在 80 年代时期，进行了大量的桨舵干扰试验。他们进行了舵对螺旋桨水动力性能以及螺旋桨尾流等的影响试验研究；分析了在不同进速系数下，桨舵间距等参数对桨后舵剖面压力分布的影响以及有无船体时的影响等，得出了不少有对今后研究具有参考价值的结果。我国对桨舵干扰的试验研究亦十分关注。在 80 年代，王德询、张志军和张晓敏29在循环水槽中，对 B4-55 螺旋桨和展弦比为 1.0 的 NACA0020 流线型舵进行了干扰试验。给出了桨后舵法向力系数 CN 随 J 等系数变化的曲线，同时也给出了舵对螺旋桨特征曲线影响的变化曲线。范尚雍30等根据 5 艘船模斜拖试验结果和其中一艘船模旋臂试验结果确定的船桨舵干扰系数，分析了漂角、首摇角速度和船体主尺度与干扰系数的关系，建立了高速双桨双舵船的船、桨、舵水动力干扰的计算公式。张泽盛和沈国光31等于 1989 年在襟翼舵敞水试验的基础上进一步作桨后水动力第一章 绪论 7 特性研究。分析了桨后的流场并给出了尾弦比为 0.25 襟翼舵的桨后水动力特性的试验结果。在 80 年代后，韦喜忠和陆芳32等在中国船舶科学研究中心的大型空泡水筒中进行了导管桨后舵的水动力性能测试和空泡观测研究，主要考察了不同空泡数和不同舵角下舵的水动力性能，并对桨后舵的空泡特性进行了分析研究。1.4 论文的创新点论文的创新点 目前，国内外对桨舵干扰的理论研究、试验研究已较为成熟，对桨舵干扰水动力性能的数值模拟计算也已较为常见。但这些仅仅针对普通螺旋桨，而对导管桨-舵干扰水动力性能的研究还属空白。同时，对舵球节能效果的理论、试验研究以及数值模拟也仅仅局限于普通桨。本文针对 42m 拖网渔船，以其导管桨和舵为研究对象，对其导管桨舵干扰的水动力性能进行分析计算。此外，针对导管桨设计节能舵球，并在舵球尺寸参数优选前，根据舵球的节能效果对舵球的形状先进行优选，分析了舵转角对节能效果的影响。1.5 论文的主要工作内容论文的主要工作内容 拖网渔船作为我国最主要的作业渔船，是渔船中最普遍的一种船型，主要依靠渔船拖曳囊袋形网具，从而迫使捕捞对象进入网内。正因为其能够主动地、灵活地寻找和拖捕对象的特点，使得拖网捕捞作业成为近现代最重要的捕捞方式之一。拖网渔船所需的推力较大，为充分发挥主机功率，增加拖力，常使用导管螺旋桨来替代普通螺旋桨。其上层建筑较为紧凑，以减少受风面积、增强抗风力；作业甲板较一般渔船宽敞，便于起、放网操作和堆放网具；甲板上装有拖网绞机等捕捞机械；一般都设有保冷隔热鱼舱，近海渔船常用冰或冰和制冷结合的方法保藏渔获物；远洋渔船大多在船上加工和冻结贮藏渔获物；船上一般配有雷达、劳兰、探鱼仪等助渔导航仪器。本论文以 42m 拖网渔船的导管桨和舵为研究对象，采用 Fluent 软件对导管桨-舵的水动力性能进行分析，并对设计舵球的节能效果进行预报，主要内容包括：（一）选取具有螺旋桨敞水实验数据的常规螺旋桨 DTRC4119 作为算例，应用CFD 前处理软件 Gambit 及 ICEM 软件进行建模及划分网格，并用 Fluent 来计算常规螺旋桨的水动力性能，并将其计算结果与试验结果进行比较来验证 CFD 方法进行螺旋桨水动力性能预报的可行性以及数值模拟计算的精度。（二）在浙江海洋学院的渔具与水动力实验室进行该渔船船导管桨的敞水试验，测量并计算其推力系数、扭矩系数以及敞水效率。同时利用 Fluent 软件进行其敞水性能的数值模拟，并将其结果与试验进行比较，分析计算结果以及误差产生的原因。（三）针对 42m 拖网渔船，对其导管桨-舵系统的水动力性能进行计算，并将结果与导管桨敞水数值模拟比较。同时进行了不同舵角下导管桨-舵系统的水动力性能计拖网渔船导管桨-舵干扰的水动力性能研究 8 算与分析。（四）针对该船的导管桨与舵，设计了三种形状的舵球，选出了节能效果较为理想的舵球形状。然后，针对这种舵球，对决定其大小位置的两个主要参数即舵球直径和桨毂-舵球间距进行参数优选，并且对这两参数变化对其节能效果的影响进行分析与比较。在此基础上，分析了在不同舵转角下导管桨-舵-舵球系统的水动力性能，初步探讨了舵角对舵球节能效果的影响。第二章 CFD 数值模拟的基本理论及其可靠性的验证 9 第二章第二章 CFD 数值模拟的基本理论及其数值模拟的基本理论及其可靠性可靠性的验证的验证 计算流体力学（Computational Fluent Dynamics，简称 CFD）是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和传导等相关物理现象的系统所做的分析，任何流体流动在物理上都是由以下三个基本定律33来控制的：（1）质量守恒定律（2）牛顿第二定律（3）能量守恒定律 这些基本的物理定律可以用一些基本的数学关系式来描述，其形式一般是积分方程或者微分方程。而计算流体力学就是用离散的代数形式替换这些方程中的积分或者导数并求解，从而得到流场参数在时间和空间离散点处的数值34-36。CFD 的最终结果只是一堆数，而不是封闭形式的解析表达式，然而大多数工程分析最终的目的还是获得对问题的定量描述。近 30 年来，高速数字计算机的出现使 CFD 得到了有实用意义的发展，亦出现了众多优秀的商用 CFD 计算软件如 PHOENICS，CFX，FLUENT，STAR-CD 等等。现在完全可以借助 CFD 手段在计算机实现过去的一些典型诸如 Reynolds 实验等教学实验。几乎所有涉及流体流动以及热交换等现象的问题，现在几乎都可以借助 CFD 手段在计算机上实现。CFD 技术已发展到完全可以分析三维粘性湍流及漩涡运动等复杂问题的程度37。2.1CFD 控制方程控制方程简介简介 前面已经提到流体要受物理守恒定律的支配（质量守恒、动量守恒、能量守恒），如果流体处于湍流状态，系统还要遵循附加的湍流运输方程。船舶和螺旋桨的运动速度通常较低，其周围流场可看作不可压缩的流动38。下面将分别讲解各守恒方程在流体力学中的表现形式。2.1.1 质量守恒质量守恒方程方程 质量守恒方程是流体力学中连续方程式的表现形式。质量守恒指的就是物质在运动过程中，质量既不能产生，也不能消失。按照这一定律，可以给出质量守恒方程：0)()()(zwyvxut（2-1）在式 2-1 中，是密度，t 是时间，u 是速度矢量，、u和是速度矢量 u 在 x、y 和 z 方向的分量。由于 拖网渔船导管桨-舵干扰的水动力性能研究 10 VVVVdiv)()(（2-2）所以式（2-1）又可以改写成 0VDtD（2-3）对于不可压缩流体，连续性方程又可以写为 0zwyvxu（2-4）2.1.2 动量守恒方程动量守恒方程 动量守恒方程也即牛顿第二定律。该定律在流体力学中可以表述为：外界作用在该微元体上的各种力之和等于微元体中流体的动量对时间的变化率。按照这种表述，可以推导出 x，y，z 3 个方向的守恒方程。xzxyxxxFzyxxpuudivtu)()(（2-5a）yzyyyxyFzyyypvudivtv)()(（2-5b）zzzyzxzFzzzzpwudivtw)()(（2-5c）对于牛顿流体，粘性应力与流体的变形率成比例，则式（2-5）可以改写为：uSxpgradudivuudivtu)()()(（2-6a）vSypgradvdivvudivtv)()()(（2-6b）wSzpgradwdivwudivtw)()()(（2-6c）式中，作为动量守恒方程的广义源项，xxusFS，yyvsFS，zzwsFS,而 sx、sy以及 sz的表达式如下：)()()()(divuxxwzxvyxuxsx（2-7a）)()()()(divuyywzyvyyuxsy（2-7b）第二章 CFD 数值模拟的基本理论及其可靠性的验证 11)()()()(divuzzwzzvyzuxsz（2-7c）在一般的情况下，sx、sy和 sz是小量，对于粘性为常数的不可压缩流体，三者都为零。在自然界和工程实际中，最常见的流动状态为湍流而非层流。在湍流流动中，物理量脉动是随机变化的，我们现在还无法给出准确的随机变化情况。目前，处理这类问题主要通过映入雷诺平均39的概念，对流动中的物理量进行长时间的时间平均，通过数值求解得到湍流流动总的时均量。设一流动变量，其时间平均值可定义为：dttTTtt)(1(2-8a)将任一流动变量的瞬时值分解为平均值和脉动值之和为：（2-9b）则可根据式 2-1 及 2-5 可推导出动量方程为：)()()()()()()()(2222222zwuyvuxuuzuyuxuxpzwuyvuxuutu（2-10a）)()()()()()()()(2222222zwvyvvxvuzvyvxvxpzwvyvvxuvtv（2-10b）)()()()()()()()(2222222zwwywvxwuzwywxwxpzwwyvwxuwtw（2-10c）上式即为雷诺应力方程（RANS），其中wuvuuu,等为雷诺应力项，求解 RANS方程所得到的为物理量的时均值。根据 Boussinesq 假设，雷诺应力项可以引入一个假设的涡旋粘性系数t40，并根据时均速度的梯度进行计算，如下式所示：xuuut2（2-11a）拖网渔船导管桨-舵干扰的水动力性能研究 12)(xvyuvut（2-11b）yvvvt2（2-11c）)(zvywwvt（2-11d）zwwwt2（2-11e）)(xwzuwut（2-11f）2.2 常用常用湍流模型湍流模型简介简介 湍流流动是自然界常见的流动现象，在多数工程中的流动往往处于湍流状态，湍流特征在工程中占有重要的地位41-43。下面将着重介绍船舶及船用螺旋桨周围流动数值模拟中常用的 RNG k-、SST k 以及 RSM 模型。2.2.1 k-模型模型 为了弥补 B-L 代数模型中对混合长度假设的局限性，以时均连续方程以及雷诺应力方程为依据，建立起湍流动能 k 的输运方程38，并且以湍流动能输运方程为基础，引入湍流耗散率的输运方程，由此得到二方程湍流模型 k-44-47。其标准形式如下所示：kktktktPzkzykyxkxzkwykvxkutk)()()(（2-12a）kCPCzzyyxxzwyvxutkttt)()()()(21（2-12b）2kCt（2-12c）2SPtk（2-12d）ijijijSSS（2-12e）第二章 CFD 数值模拟的基本理论及其可靠性的验证 13)(21ijjiijxuxuS（2-12f）式 2-12a 和 b 中的 Pk为湍流动能生成项，由式 2-12d、e、f 三式计算得到。而在 RNG k-中，通过在大尺度运动和修正后的粘度项体现小尺度的影响，将控制方程中的这些小尺度运动有系统地除去。其 k 和 方程与标准 k-非常相似37：kjeffkjiiGxkxxkutk)()(（2-13a）kCGkCxxxutkjeffjii221)()(（2-13b）式中：2,kCtteff31*11)1(,39.1,0845.00CCCkC)(21,)2(,68.1,41.12121ijjiijijijxuxuEkEECC，012.0,377.40 相比于标准 k-湍流模型，RNG k-模型方程中的常数是通过重正规化群理论分析得到，而不是通过试验得到的，修正了耗散率方程，使得在处理一些复杂的剪切流、有大应变率、分离、漩涡等流动问题比标准 k-表现更好。2.2.2 SST k-模型模型 SST k-为剪切应力输运 k-模型（Shear Stress Transport k-）的简称，SST 模型混合了 k-和 k-模型的优势，在近壁面处使用 k-模型，而在边界层外采用 k-模型。其 k 及 的输运方程如式 2-14 所示48：kPxkxxkutkkjttjjj*)(（2-14a）jjjtjjjxxkFSxxxut1)1(22122（2-14b）其中),max(211Fkt，,12,11,1)1(kkFFk,12,11,1)1(FF),tanh(),tanh(222411FF 拖网渔船导管桨-舵干扰的水动力性能研究 14,500,2max,4),500,minmax(2*2222*1yykyCDkyykk10),(min,10,12max*102kxi