当今社会普遍面临着能源问题,船舶作为重要的交通运输工具,如何做到既能保证快速性和稳定性,又能最大程度上实现节能减排,是船舶行业目前面临的主要问题之一。2011年正式推出EEDI和SEEMP两项船舶能效准则,也正式宣告船舶进入到“绿色船舶”阶段。目前船舶降低能耗的方式有很多种,改进船舶推进装置被认为是最有效的方法之一。自由叶轮附加装置由于其便于安装,能极大程度上提高船舶推进效率,被广泛用于船舶螺旋桨改进,但目前对于其的理论研究及设计较少。本文将基于Grim自由叶轮和CFD数值模拟方法进行自由叶轮设计,并完成水动力性能研究,具体内容为:(1)对B系列螺旋桨B5-60型进行设计及CFD数值计算。比较了B5-60型螺旋桨在Standard k-ε、Realizable k-ε、SST k-ω、Standard k-ω四种湍流模型情况下的敞水性能,对比得出SST k-ω模型的敞水性能最佳,同时对B5-60螺旋桨的桨叶压力进行压力特性分析,对尾流场进行了分析。(2)以B5-60型螺旋桨为主桨,完成自由叶轮的计算设计,同时结合主螺旋桨水动力性能分析,选择湍流模型SST k-ω,对叶轮-螺旋桨推进系统进行CFD数值计算。在螺旋桨条件确定下,装有自由叶轮的螺旋桨推进系统,与B5-60单桨进行水动力性能分析比较,发现在设计功率进速系数J=0.6的情况下,推力提高了8.08%,效率提高了7.94%,可以看出装有自由叶轮的螺旋桨推进系统节能效果明显。同时可以看到前桨的转矩与单桨相比降低了0.019%,节省部分主机功率。对装有自由叶轮的叶轮-螺旋桨推进系统进行压力特性分析研究。(3)自由叶轮与螺旋桨的轴向距离桨距比L/D对于螺旋桨推进系统影响较大,本文选取3种桨距比L/D进行水动力性能对比,通过对比分析结果,得到桨距比L/D为0.28D时是螺旋桨推进系统的敞水性能达到最佳状态。