侧推器不仅用于改善船舶的操纵性,也是动力定位系统的必要组成部分。随着人类对深海资源开发力度的加强,侧推器将会在海事领域扮演越来越重要的角色。然而与侧推器相关的研究仍以试验为主,相关的数值计算及设计方法研究尚不成熟。在此背景下,本文结合粘流CFD计算、势流升力线理论以及模型试验,对侧推器的水动力性能、脉动压力与激振力特性、噪声性能等进行了研究,并提出了基于实效伴流的侧推器转子设计方法。全文共包括以下内容:(1)基于求解RANS方程的方法,采用k-?SST湍流模型,建立了侧推器水动力性能与流场的准定常及非定常数值模拟方法,其中前者可较为高效、精确地评估设计方案水动力性能,后者可用于激振力评估。桨叶附近的流域用棱柱型网格离散,以便从层流底层开始求解边界层流动。由于桨叶附近的流动比较复杂,对桨叶面网格密度和叶梢间隙进行了网格依赖性分析,确定了相关参数。通过比较准定常与非定常模型的计算结果确认了准定常模型具有良好的性能预报精度,为节省计算资源,采用准定常模型对可调螺距侧推器开展了系列数值模拟,算例覆盖了实用的盘面比与螺距比范围,得到的水动力性能与试验结果吻合良好。计算结果表明:侧推器工作时,船身及桨毂均会产生附加推力,其中船身推力可达桨叶推力的40%~60%。本文通过对速度场及压力场的进一步分析,揭示了附加推力的产生机理和主要贡献区域,可为侧推器水动力与结构设计提供参考。(2)为了在侧推器初步设计阶段快速预报船身推力,提出了用体积力模型代替侧推器转子的RANS计算方法。基于系列计算得到的转子负荷分布特征,建立了转子体积力模型;提出了考虑转子阻塞影响的流量修正方法,并给出了有、无齿轮箱时流量修正系数的经验公式。算例表明,本文方法能够对船身推力进行较准确的预报,从而较准确地确定转子推力的设计值。同时该体积力方法还可用于侧推器吸气现象的模拟。(3)通过对侧推器流场特征的分析,发现侧推桨在系柱工况下,由于船身也能引发诱导速度,桨叶除叶梢部分不一定处于重载。在此基础上,分别提出和引入等效进速和实效伴流的概念,建立了侧推器转子的升力线理论设计方法。采用体积力模型,通过比较在船身槽道和敞水情况下的CFD计算结果,可以求得桨叶的诱导速度,并进一步求出侧推器转子的等效进速与实效伴流。基于某平板转子的部分几何参数,采用本文方法设计了一个叶梢卸载的侧推器转子,并通过RANS计算确认了其性能基本满足设计要求。(4)侧推器桨叶叶梢间隙很小,导致叶梢负荷较重,比普通螺旋桨更容易产生空泡,因此振动和噪声问题更加突出,而公开文献中对此研究很少,特别是试验研究极少。在此背景下,作者采用三个具有典型几何特征的侧推器转子,在上海交通大学空泡水筒开展了脉动压力和噪声的模型试验研究。对于齿轮箱位于桨叶上游的情况,考察了低速来流、转子转速以及空泡对脉动压力和噪声的影响,试验结果表明前两个因素影响很小;有空泡时的脉动压力和噪声均比无空泡时明显增大;有空泡时,随着空泡数的降低,桨盘面处的压力脉动会进一步加剧,而噪声却下降了。此外,试验结果还表明,在等推力条件下,与平板型转子叶片相比,叶梢卸载的叶片能同时降低脉动压力和噪声,但普通螺旋桨常用的叶梢非线性纵斜效果并不明显。(5)为进一步考察叶梢卸载和非线性纵斜的作用,对试验所用的三个转子模型开展了非定常滑移网格数值模拟。数值结果表明相比平板转子,叶梢卸载的叶片脉动压力较小,而且水动力性能也提升了。不过从数值模拟结果看非线性纵斜能进一步降低脉动压力,这一点在试验中没有体现,有待进一步研究。对试验中未涉及的调距桨负螺距工况和定距桨正反转工况也开展了数值模拟,结果表明负螺距工况下叶梢卸载会降低桨叶性能、加剧脉动压力,与正螺距工况完全相反。但是对定距桨,无论正转还是反转,叶梢卸载都能有效降低脉动压力并提高水动力性能。而对侧推器的轴向与侧向力,桨叶几何主要影响它们的平均值,对激振力幅值影响不大。