摘 要

Abstract V

第1章 绪论 1

1.1研究背景、目的及意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3本文主要工作 5

第2章 鲸尾轮推进器敞水性能的理论建模与分析 6

2.1鲸尾轮推进器推进效率的计算方法 6

2.2 鲸尾轮推进器叶片摆动角的确定 8

2.3 鲸尾轮推进器敞水性能分析 12

第3章 鲸尾轮水动力性能CFD计算 14

3.1 CFD理论 14

3.1.1 流动控制方程 15

3.1.2 湍流模型 16

3.1.3 边界条件 19

3.2 鲸尾轮推进器CFD计算模型 20

3.3鲸尾轮推进器计算域的网格划分 21

3.4 鲸尾轮推进器数值模拟结果 27

第4章 结论与展望 31

4.1 结论 31

4.2 展望 31

参考文献 32

致谢 33

摘要

鲸尾轮推进器是一种新近发展的船舶推进器，在船舶节能减排领域具有潜在的应用价值。

本文通过分析鲸尾轮推进器叶片的运动方式，建立了基于叶片静态假设下的推进器效率的求取方法，求得了不同工况下鲸尾轮推进器效率最高时的叶片摆角曲线，并用该方法计算得到了一型鲸尾轮推进器的敞水性征曲线。

然后研究了CFD方法对鲸尾轮推进器敞水性能的求取方法，并使用此方法分别求得了单叶和五叶时推进器的敞水特性曲线。通过将CFD计算结果与前期理论计算结果进行对比，指出理论计算方法因存在未计及叶片流场相互干扰等因素而与CFD计算结果产生了数值差别。并且通过CFD计算结果可知，五个叶片时推进器敞水效率达到了79%左右，这意味着即使计及附体所导致的效率损失，鲸尾轮推进器较普通螺旋桨推进器仍有很大的节能优势。

关键词：鲸尾轮；推进性能；CFD；理论计算

Abstract

Whale tail wheel propeller is a newly developed ship propeller, in the field of energy saving and emission reduction has potential application value. In this paper, the relationship between the geometrical parameters, the motion parameters and the performance parameters of the propeller is established by theoretical analysis, and the propulsion performance of the propeller under different working conditions is calculated and programmed. Then the CFD method is used to simulate the hydrodynamic performance of the above typical propulsion model, and the results are compared with the theoretical results. Finally, the reason of the deviation between the theoretical calculation result and the CFD result is analyzed, and some suggestions are given to select the best working condition.

Key words: Wheal Tail Wheel；Propulsion performance；CFD；Theoretical calculation

第1章 绪论

1.1研究背景、目的及意义

能源是重要的战略物质，而能源是不可再生的，因此节能减排有重大的意义。在船舶方面，节能减排措施主要包括轻重油转换设备的革新、燃油添加剂的使用、推进器效率的提高、新船型的推广及采用经济航速和加强维护保养等。其中，提高船舶推进器推进效率是船舶节能减排的一项重要举措。在输出功率不变的情况下，推进效率的提高使得推进器的收到功率减小，从而降低了船舶主机功率，减少了船舶主机的油耗，起到了节能减排的效果。

螺旋桨是一种普遍使用的船舶推进器，其结构简单、成本低，因此应用广泛，但螺旋桨推进器操纵性能不足，推进效率一般只有65%左右。国内外对螺旋桨推进器的研究起步较早，其技术已经相当成熟，在短时间内再大幅提升不太现实，从理论和技术上来看都比较困难。近年来，研究海洋生物的构造原理和运动特性，并在工程技术上加以模仿、应用，已经成为船舶与海洋工程领域的重要研究方向。其中，通过模仿鱼类的胸鳍、尾鳍的结构特点和摆动规律，设计新型船舶推进器，用于提高船舶推进器的机动性或者推进效率，是船舶推进领域的热门课题之一。摆线推进器应运而生。

相比于船用侧推器以及全回转推进器等船舶推进器，摆线推进器具有操纵性能优良、响应速度快速、抗风浪能力强等优点。将摆线推进器应用于海洋工程装备和动力定位系统，无论在正常还是应急运行状态中，均能保证精确操纵和快速响应，这一点对在严暖天气状态下工作的海洋工程装备及高操纵要求的动力定位系统是至关重要的。另外，摆线推进器因其不会产生侧向推力矢量而保证整个推进装置的冗余，印在其他动力推进装置发生故障无法工作而仅剩一路动力的情况下，船舶仍能得到完全控制，保证船舶的安全。

摆线推进器又分为扑翼式摆线推进器，直翼式摆线推进器和鲸尾轮推进器。扑翼式摆线推进器达到了非常高的效率，但其功率密度较小，推力不足，具有很大的局限性。直翼式摆线推进器操纵性好，但其效率不高。鲸尾轮推进器是一种新近发展的船舶推进器，在船舶节能减排领域具有潜在的应用价值。鲸尾轮推进器具有推进效率高的特点，可以减少燃油消耗，减少了二氧化碳及其他废弃物的排放，也在一定程度降低了对海洋、河流的污染，具有很好的节能减排效益。同时叶片载荷更小，使其具有较好的抗空化性能。这些特性使得此种推进器在货船等中低速船舶上具有较好的应用潜力。并且机械式设计能够很好的满足水下工作环境，稳定性优良、市场化潜力大，具有很好的发展前景。

因此，为研发一种节能、高效的新型船舶推进器，对鲸尾轮推进器进行研究具有十分重要的意义。

1.2国内外研究现状

摆线推进器是由一组从船体垂直伸向水中并绕垂直于船体的中心轴线作圆周运动的定型直叶片组成，叶片在绕中心轴做圆周运动的同时，按一定规律绕自身的轴线摆动。通过改变叶片的摆动规律，可实现范围内快速并连续地改变推进方向和大小。因此，其具有极高的操纵性能，可实现船舶的横向移动、原地回转等高操纵要求的动作。推进器叶片在空间中运动所形成的轨迹是一条摆线，因此称为摆线推进器，因其叶片为直叶片而又称为直翼推进器，此外，因其旋转轴为垂直轴而称为垂直轴推进器。

摆线推进器的历史可追溯到1870年，甚至在1681年已有类似装置的出现，其思想来源于海豚灵活的尾鳍和鸟灵活的翅膀---集推进和操纵为一体。1921年在华盛顿大学任教的德国科学家Frederick Kirsten教授申请了第一个摆线推进器专利，摆线推进器独特的工作特性和优良的操纵性能逐渐引起了人们的关注。随后，美国的Kirsten-Boeing推进器和德国的Voith-Schneider推进器相继问世，两者的设计特点都是不需要改变转动方向即可以改变推力的方向。然而，Voith-Schneider推进器因为它的螺距可调而得到了更好的应用和发展。被广泛地应用于潜艇、扫雷艇、海上平台、拖船等具有高操纵性能要求的场合。