新型全悬挂高效舵性能研究

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船舶节能减排已经成为全世界航运领域首要研究的方向,船舶节能装置的研发工作逐渐成为了水动力研究领域的重点和热点。现阶段看来,学术界已经对前置导轮、补偿导管和消涡鳍等节能装置的节能机理有了较为深入的研究,但新型全悬挂高效舵的节能机理仍在探索和研究中。为掌握新型全悬挂高效舵的设计理念和核心技术,填补我国在新型全悬挂高效舵水动力分析领域内的空白,本文对新型全悬挂高效舵的性能进行了研究。本文主要研究内容和取得的成果如下:(1)本文对流体力学、船舶水动力学和CFD流体力学数值模拟三者间的关系进行了深入的研究和系统性的阐述,在查阅了诸多文献论文的基础上,通过对理论的分析和研究后详细的介绍了连续性方程、湍流模型、自由面处理方法等数值模拟计算所需的基础理论,在根据模型特点建立了船舶自航点的计算方法,并分别在两型集装箱船上得到了有效的验证,为超大型集装箱船全悬挂高效舵的性能研究奠定了理论基础。(2)本文内容之一是研究新型全悬挂高效舵的水动力性能。根据船-桨-舵模型所固有的特点,有针对性的阐述了船舶自航点的计算方法。同时,在网格划分等方面,进行了分析和研究,其中计算结果精度和计算效率均给予了重要的描述。基于已建立的船-桨-舵耦合系统自航性能CFD计算方法,开展不同舵型自航性能的精细化计算,通过对比不同舵型螺旋桨收到的功率,分析得出各舵型的节能效果,并分析高效舵的节能原理。(3)本文内容之二是研究新型全悬挂高效舵的操纵性能。根据水动力性能的分析结果,操纵性主要进行平舵和高效舵的计算和分析。运用CFD数值方法模拟平舵和高效舵不同舵角下各自的侧向力和舵轴扭矩,进而结合MMG操纵运动方程对两型舵的操纵性能,主要对平舵和高效舵在平衡点附近相同螺旋桨转速下的水动力性能进行评估,包括不同舵角下的回转运动、Z型操纵运动和初始回转运动。(4)本文内容之三是研究新型全悬挂高效舵的安全性能。这里的安全性能主要指的是悬挂舵的强度和刚度。首先应用结构有限元建模分析软件建立新型全悬挂高效舵的有限元计算分析模型,通过对极端的左舵35°(+35°)和右舵35°(-35°)两种舵角下舵力与压力分布进行计算,并将计算结果输入到有限元模型中,计算两种极端状态下悬挂舵的应力与变形情况,评估新型全悬挂高效舵系统的结构强度和刚度是否满足要求,确保舵系主要部件的相对变形均在可接受的范围内,最后以规范规则为标准进行总体安全性能评估,保证新型全悬挂高效舵系统的安全性能。
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