1．目的及意义

1.1目的及意义

散货船自20世纪50中期出现以来，总体上保持着强劲的增长势头。在国际航运业中，散货船运输占货物运输的30%以上。由于货运量打，货源充足，航线固定，装卸效率高等因素，散货船运输能获得良好的经济效益，散货船已成为运输船舶的主力军。随着世界经济的发展，散货船运输扔将保持较高的增长势头。

螺旋桨激振力是指螺旋桨运转时通过轴系与螺旋桨附近的船体外板传递给船体的周期性变化的力。按其作用方式可分为轴承力和表面力。轴承力，螺旋桨在船后不均匀水流中运转而产生的交变力经过轴、轴承传递给船体；表面力，因螺旋桨的有限个叶片的周期性运动，引起船体表面任意一点上压力周期性变化，此压力的交变部分即脉动压力所引起的激振力，因船后不均匀流场，尤其是桨叶上产生空泡后空泡体积变化或空泡破灭的影响，周期性交变力会大大增加。

本次研究是以10000DWT散货船为研究对象的，对其螺旋桨激振力进行计算研究，有助于深刻分析出进而提出经济，适当的方法，减少船舶所受的激振力。此外，还可以对各个结构所受的激振力进行大致分析，从而对个别的零部件进行精确检查，以防出现故障。而且，还可以提高船上人员的舒适性，减轻震动，减小噪声，防止货物在船舶上因晃动而导致损坏。对螺旋桨所受的激振力周期进行进行分析，研究相关的作用规律，对船舶工程等相关行业有深远的意义。

1.2国内外的研究现状

螺旋桨激振力是船舶工程中的一个重要问题,威胁着船舶使用质量如人员的舒适性、结构的损伤和军用船舶的防御性噪声国外从60年代起已引起重视,开始研究。国内从 70年代中期,由于螺旋桨激振力引起一艘船舶的强烈尾部振动及致结构损坏,引起国内造船界的重视近数十年来,国内外对此已有丰富的研究成果螺旋桨激振力问题涉及到流体力学和船舶流体力学中的好几个方面,如船后伴流场、空化机理、非定常空化流及螺旋桨非定常问题。要解决的问题有理论问题、工程应用、试验技术、尺度效应、激振力预报方法、低激振螺旋桨的设计方法、减振措施等等

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2. 研究的基本内容与方案

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．研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

在升力面法中，把每个螺旋桨桨叶用一条径向为变强度的附着涡代替，附着涡强度的变化引起尾涡拖出并在下游形成一张螺旋涡面，由整个螺旋桨涡系引起的诱导速度Biot-Savart定理计算，通过在控制点上满足雾面边界条件，可以确定桨叶上的环量分布。有了环量分布，可以确定每一段的涡元分布。计算流体力学技术（CFD）是基于物理守恒定律建立起来的，其中包括质量守恒定律、动量守恒定律、能量守恒定律，由此得到连续性方程、动量方程和能量方程。能量方程是流动的基本方程，但对于螺旋桨水动力分析而言，其为不可压流动过程，热交换可忽略不计。因此在构建基本方程时可不考虑能量方程。现行的计算软件中主要有CFX.fluent和STAR-CD等，众多研究工作是基于以上软件得到的。对于存在转子与定子相互干扰的情况，CFX能够进行流动模拟的计算模型主要有多参考系模型（Frozen Rotor）和滑移网格模型（Transient Rotor－Stator）。Frozen Rotor模型是一种定常计算模型，它假定流体流动过程中转子网格的坐标系旋转而转子和定子之间的相对位置保持不变。该模型适用于螺旋桨定常水动力性能计算，也可为Transient Rotor－Stator计算模型提供初始流场。Transient Rotor－Stator模型可使交界 面两侧的网格相互滑动而不要求交界面两侧的网格节点相互重合。在非定常流动计算中，转子与定子间将形成滑移网格交界面，在不能忽略转子与定子之间的相互影响时，需用滑移网格模型模拟流动过程。因此选用Frozen Rotor模型进行螺旋桨定常水动力性能计算得到初始流场，再利用Transient Rotor－Stator完成螺旋桨的非定常水动力性能计算。综上所述，基于ANSYS CFX进行螺旋桨非定常水动力性能预报，获得螺旋桨激振力主要由以下４个 阶段组成：１）建立桨舵系统三维模型，具体包括３个步骤：（１）根据现有的螺旋桨和舵的图谱资料，利用Matlab计算得到桨及舵在不同截面处的关键点；（２）根据所得到的螺旋桨各剖面型值，建立TurboGrid可识别的特征文件并划分包含螺旋桨的旋转域网格；（３）根据所得到的舵各剖面型值，利用Pro/Ｅ建立舵的三维模型，以中间文件的格式导入到网格划分软件ICEM中，利用ICEM划分流体静态域的CAE网格并同上述的 旋转域合并成CFD计算网格。２）桨舵系统非定常水动力分析方法研究。在CFX中导入CFD计算网格，分别建立螺旋桨水动力稳态和瞬态计算模型，并设定稳态计算结果作为瞬态计算的初始值，计算均匀进流和理论伴流下螺旋桨的Kt、ＫQ；在CFD－Post中进行结果分析，利用软件中的Session命令流文件自动导出瞬态计算中每个时间步的结果，分析Kt、ＫQ的变化规律。３）伴流场下水动力性能的预报。

3. 参考文献

［1］何苗，黄胜，王超，等．桨舵系统非定常水动力性能预报方法研究［Ｊ］．华中科技大学学报：自然科学版，2011，39（10）：41－45．