摘 要

螺旋桨推进方式对船舶航行起着至关重要的作用，其推进效率直接影响到船舶运营成本，其空泡性能也关乎螺旋桨是否节能等经济问题；不同的螺旋桨推进方式还决定了螺旋桨结构是否复杂，便于安装维修等问题。混合式CRP推进系统结合了对转螺旋桨和吊舱推进器的两者的优点,不但具有良好的操作性能、较好的空泡性能、节约能源等特点，在可靠性、机械结构、维修方便等方面显示出优势。本文主要针对混合式CRP推进系统中后桨（吊舱螺旋桨）的设计问题展开研究，并借助CFD方法，在FLUENT软件中对混合CRP推进系统中的后桨进行敞水性能数值预报，所得结果对于混合式CRP推进器后桨的设计具有重要的指导意义。论文的主要内容包括：

1.传统螺旋桨敞水性能数值预报；

2.吊舱式推进器非定常水动力性能数值预报；

3.混合式CRP推进器非定常水动力性能数值预报；

4.采用图谱设计混合式CRP推进系统中的后桨，并采用数值模拟的方法对设计结果进行验证，分析结果差异。

论文研究结果表明：采用图谱方法进行混合式CRP推进系统的吊舱螺旋桨的设计，可以为实际混合CRP推进器后桨的理论设计提供参考。

关键词：混合式CRP推进器；螺旋桨图谱设计法；螺旋桨；数值模拟

Abstract

Propeller propulsion plays an important role in the ship sailing, and its propulsion efficiency directly affects the operating cost of the ship, and its cavitation performance is also related to the economic problems such as propeller energy saving. Different propeller propulsion methods also determine the complexity of the propeller structure, the convenience to install and maintenance and other issues. The Contra Rotating Propeller-POD (CRP-POD) propulsion system combines the advantages of propellers and POD propellers, and it not only works well in good operating performance, high propulsion efficiency and cavitation performance and energy saving and so on. It also shows well in high reliability, relatively simple mechanical structure and easy maintenance and so on. This paper focus on the design of the rear propeller (pod propeller) in the CRP-POD propulsion system, and via the CFD method, predicts the open water hydrodynamic performance of pod propeller in the CRP-POD propulsion system in virtue of FLUENT software. The research results can provide some references for the design method and procedure of pod propeller in CRP-POD propulsion system. The main content includes:

1. Numerical prediction of open water performance of conventional propellers；

2. Numerical prediction of unsteady hydrodynamic performance of a POD propeller；

3. Numerical prediction of unsteady hydrodynamic performance of a CRP-POD propulsion system;

4. A rear propeller (POD propeller) in the CRP-POD propulsion system is designed by means of Propeller Atlas Design method, and the design results are analyzed and compared with the numerical results to verify the correctness of Propeller Atlas Design method based on the numerical simulation.

This thesis research results show that Propeller Atlas Design method is used to design the POD propeller in the CRP-POD propulsion system, which can provide a reference for the theoretical design of the rear propeller in the real CRP-POD propulsion system.

Key Words：Contra Rotating Propeller-POD；Propeller Atlas Design; propeller; numerical simulation

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1船舶推进器的发展概述 1

1.2吊舱推进器概述 1

1.3混合CRP推进装置的发展概况 2

1.4混合CRP推进装置的研究现状 3

1.5本论文的研究目的与意义 4

1.5.1 研究目的 4

1.5.2 研究意义 4

1.6本论文的研究内容 5

第2章 计算流体力学（CFD）简介 6

2.1流体力学基本方程组 7

2.1.1质量守恒方程（连续性方程） 7

2.1.2动量守恒方程（Navier-Stokes方程） 7

2.2湍流模型 8

2.2.1大涡模拟方法 8

2.2.2基于雷诺平均N-S方程组的模型 9

2.3网格生成 9

2.4边界条件 10

2.4.1速度入口(Velocity Inlet) 11

2.4.2出流边界条件（Outflow） 11

2.4.3固定壁面边界条件(Wall) 11

2.4.4内部交界面(Interface) 11

第3章 螺旋桨敞水性能数值预报 12

3.1 控制方程及湍流模型 12

3.1.1 控制方程 12

3.1.2 湍流模型 12

3.2计算域及模型网格划分 13

3.2.1螺旋桨三维模型建立 13

3.2.2螺旋桨数值模型 14

3.3螺旋桨敞水性能数值模拟结果 15

第4章 吊舱螺旋桨的敞水性能数值预报 17

4.1 数值模拟方法 17

4.2 计算模型和计算域 17

4.3 吊舱推进器水动力性能预报 20

4.3.1 吊舱推进器螺旋桨特征曲线 20

4.3.2 吊舱推进器压力分布 21

4.3.3 推力和扭矩随时间的变化 25

4.3.4 吊舱推进器表面轴向速度分布 26

4.4 单独螺旋桨和吊舱推进器螺旋桨的敞水性能比较 27

第5章 混合CRP推进器的敞水性征数值预报 29

5.1 混合CRP推进器模型 29

5.2 网格划分 30

5.3 结果分析 31

5.3.1 混合CRP推进器主桨与单独主桨的敞水性能数值模拟结果比较 31

5.3.2 流场分析 32

第6章 混合CRP推进系统吊舱推进器图谱设计 36

6.1螺旋桨的设计方法 36

6.2 混合CRP推进系统设计 37

6.2.1吊舱推进器设计 37

6.2.2 吊舱推进器支架和舱体设计 39

6.2.3吊舱推进器模型 40

6.2.4 CRP混合推进系统模型 41

6.3 网格划分 41

6.4 边界条件设置 44

6.5 数值模拟结果分析 44

6.6 本章小结 46

第7章 总结与展望 47

7.1 主要结论 47

7.2论文工作不足与展望 47

参考文献 48

致 谢 50