申请上海交通大学硕士学位论文
船舶操纵运动粘性水动力数值与试验研究
硕士生：田喜民
导师：邹早建教授
专业：船舶与海洋结构物设计制造
上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院
2008年1月
A Thesis Submitted for
the Degree of Master in Engineering
A Numerical and Experimental Research on the Viscous Hydrodynamic Forces acting on a Ship in Manoeuvring Motion
Candidate: Tian Ximin
Supervisor: Prof. Zou Zaojian
Major: Design and Manufacture of Naval Architecture and Ocean Engineering
School of Naval Architecture, Ocean and Civil Engineering
Shanghai Jiao Tong University
Jan. 2008
上海交通大学
学位论文原创性说明
本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明，本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
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日期：年月日
上海交通大学
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日期：年月日日期：年月日
船舶操纵运动粘性水动力数值与试验研究
摘要*
采用计算流体动力学(CFD)技术实现在船舶设计阶段对船舶水动力性能的预报，在船舶生产过程中具有重大的工程应用价值，并且在目前是一个富有挑战性的课题。近十多年来，随着船舶CFD计算方法和计算能力的发展，数值预报精度的不断提高，其对船舶优化设计的指导作用也日益突出，并有与船模试验并驾齐驱、取代部分船模试验的趋势。在船舶操纵性方面，这类方法虽处于初始阶段，但已获得重大进展。目前，第25届ITTC操纵性技术委员会正在组织一项旨在对各种预报操纵性的模拟方法进行验证和确认的比较研究。本文正是在这种背景下，利用CFD 方法对船舶操纵运动粘性水动力进行了数值研究。
本文主要以三大主力船型中的大型油轮、上述比较研究中的标准船型之一KVLCC2为研究对象，主要对该船型船模在深水状态下作斜航运动的粘性流场进行了数值模拟，计算了作用在船模上的横向水动力、艏摇力矩及表面压力分布。
随着船舶向大型化发展，通常的港湾、运河等相对于这些超大型船舶成为限制航道，由于运动和受力特点的不同，船舶在限制水域中的操
* 本文工作得到国家自然科学基金项目（10572094）和上海市自然科学基金项目（06ZR14050）资助。
I
纵性和在无限水域中的操纵性有很大的不同，船舶在限制水域中航行时发生碰撞、触底等海难事故的危险性比在无限水域中航行时要大得多。所以，满足IMO现行的船舶操纵性标准并不能确保船舶航行安全性；要切实提高航行安全性，迫切需要从研究限制水域中的船舶操纵运动与受力特点出发研究限制水域中的操纵性，并制定相应的限制水域船舶操纵性标准。在这种背景下，本文计算了KVLCC2船模在浅水状态下所受的横向水动力、艏摇力矩及表面压力，并与深水情况进行了对比，给出了相对于深水情况下水动力修正系数，以此来说明水深对操纵运动水动力的影响。
为了参与ITTC操纵性技术委员会组织的比较研究，上海交通大学和中国船舶科学研究中心（702所）进行了有效的合作，以KVLCC2为对象，在船池中进行了斜拖试验，测量了作用在船模上的水动力。本文介绍了在上海交通大学拖曳水池中进行的模型试验，给出了KVLCC2船模的斜拖试验结果，并与本文的计算结果进行了对比，验证了本文的计算结果。
关键词：船舶操纵，水动力，粘性流，CFD，数值模拟
II
A NUMERICAL AND EXPERIMENTAL RESEARCH ON THE VISCOUS HYDRODYNAMIC FORCES ACTING ON A SHIP IN MANOEUVRING MOTION
ABSTRACT*
Accurate prediction of ship hydrodynamic performance at design stage using Computational Fluid Dynamics (CFD) technique has important value of engineering application in the ship industry. It is also a challenging subject in the field of ship hydrodynamics. With the rapid development of computational methods and computer technology, ship CFD is becoming a practical tool in ship design during the last decades. In this respect, it tends to be an alternative of towing tank tests. In the field of ship manoeuvrability, although this method is still in the primary stage of development, it has already achieved great progress. At present, the 25th ITTC manoeuvring committee is organizing a comparative research on ship manoeuvrability, and will organize a workshop on verification and validation of ship manoeuvring simulation methods based on this research. Under this background, the *This thesis is financially supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 10572094) and
the Natural Science Foundation of Shanghai (Grant No. 06ZR14050).
III
present thesis researches on the numerical computation of hydrodynamic forces and simulation of viscous flow around a ship in manoeuvring motion by means of CFD method.
In this thesis, KVLCC2, one of the standard ship forms used in the comparative research is taken as the main object. Firstly, the numerical simulation of viscous flow around the KVLCC2 model in oblique motion in deep water is carried out. The lateral force, yaw moment, pressure distribution on the hull surface and the wake are calculated.
As the size of ships develop to macro-scale, gulf, and canal, etc. have changed to restricted water. Due to the different in the motion and hydrodynamic forces, the manoeuvring of ship in shallow water is greatly different from that in the unrestricted water. For a ship traveling in shallow water, maritime disaster, such as collision, and grounding may occur more easily than in unrestricted water. Therefore, satisfying the criterion of the present IMO’s standards for ship manoeuvrability can’t guarantee the navigation safety. It is necessary to research the ship’s manoeuvring ability in restricted water and to constitute corresponding manoeuvrability standards. Under this background, the lateral force, yaw moment, pressure distribution on the hull surface and the wake in shallow water are calculated and compared with those in deep water. The correction factors accounting for
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the effect of shallow water are determined.
In order to take part in the comparative research mentioned above, cooperating with CSSRC, SJTU has carried out oblique towing test with KVLCC2 model in the towing tank of SJTU. The experimental results are given in this thesis. Compared with the experimental results, the computional results are verified.
KEY WORDS: ship manoeuvring, hydrodynamic forces, viscous flow, CFD, numerical simulation
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目录
第一章绪论 (1)
1.1引言 (1)
1.2船舶操纵性预报研究进展 (2)
1.3本文主要内容 (6)
第二章船舶操纵运动粘性流计算基本理论和方法 (7)
2.1流体力学基本方程 (7)
2.2雷诺平均N-S方程 (7)
2.3湍流模型 (8)
2.3.1 Kε?模式 (8)
?模式 (9)
2.3.2 Kω
2.4湍流模型的近壁处理 (10)
2.5数值方法 (13)
2.5.1 离散方法 (13)
2.5.2 离散格式 (14)
2.5.3 加速收敛技术 (14)
2.6自由面处理方法 (14)
2.7计算网格 (17)
第三章船模在深水中斜航运动粘性流场及水动力计算研究 (19)
3.1引言 (19)
3.2计算模型及网格划分 (20)
3.2.1 计算域 (21)
3.2.2 边界条件 (21)
3.2.3 网格划分 (22)
3.3数值方法 (23)
3.4计算结果及分析 (23)
3.5小结 (31)
第四章 KVLCC2模型斜拖试验 (32)
4.1试验模型 (32)
4.2试验工况 (32)
4.3模型试验 (33)
4.4试验结果及分析 (37)
第五章船模在浅水中斜航运动粘性流场及水动力计算研究 (41)
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5.1研究背景 (41)
5.2研究对象 (42)
5.3数值方法 (43)
5.3.1 湍流模型 (43)
5.3.2 边界条件 (43)
5.4计算结果及其分析 (43)
5.5小结 (63)
第六章总结与展望 (64)
6.1总结 (64)
6.2研究工作展望 (65)
参考文献 (66)
致谢 (73)
攻读学位期间发表的学术论文和参加的科研项目 (74)
VII
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第一章绪论
1.1 引言
近年来我国船舶工业发展迅速，2006年上半年全国新承接船舶订单达1608万吨，是2005年全年成交量的95%，占世界市场份额的27%，造船完工量528万载重吨，其中出口船舶430万载重吨，占造船总量的81%。另据海关统计，船舶产品（包含浮动结构体）出口金额达34亿美元，超过了2004年全年的出口额和去年出口额的七成。船舶产品出口到112个国家和地区，其中出口金额在1000万美元以上的达33个。2007年上半年，我国造船工业增长势头强劲，全国造船完工量755万载重吨，同比增长43%，占世界市场份额的19%；新承接船舶订单4262万载重吨，同比增长165%，占世界市场份额的42%，超过2006年全年承接量；手持船舶订单首次超过1亿载重吨大关，达10540万载重吨，同比增长107%，占世界市场份额的28%，约为2006年全年量的1.5倍。另据海关统计，2007年上半年我国船舶产品出口到128个国家和地区，出口金额达54.9亿美元，同比增长61%。新承接船舶订单和手持船舶订单均超过日本，位居世界第二[1]。所有数据表明，我国船舶制造业与韩国、日本的差距明显缩小。
但我国要实现第一造船强国的目标，除了造船基地等硬件的建设外，新船型的开发和设计将成为争夺市场份额的关键，同时也是我们能否成为第一造船强国的关键。所以，开发和应用新船型开发和设计的关键技术，对于提高我国造船科技水平和国际竞争力，具有重要的现实意义。
船舶CFD（Computational Fluid Dynamics）技术是CFD在船舶工程领域应用而产生的高新技术——数值船池技术，经过30余年的发展，船舶CFD已经在势流兴波阻力、船体的粘性绕流、螺旋桨的性能、船舶耐波性和船舶操纵性等五个方面取得极大进展，并在以下几方面进一步深入[2]，包括：船舶流体力学中势流为因素的问题，将统一在基本源的框架下；RANS方程在船舶性能计算中的实际应用已经提上日程，可望在本世纪成为各领域中的主要计算模式；求解RANS方程的商业软件在船舶流体力学计算中的作用逐渐增大；计算模式的统一和商业程序的应用使得比较抽象的流体力学，更容易为工程技术人员所理解和接受。
随着计算机硬件和商用CFD软件的发展，CFD技术已经越来越成为设计优秀船
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第一章绪论
型的重要辅助手段。在造船界，CFD技术的重要性正逐渐得到重视。在最近几届的国际拖曳水池会议（ITTC）上，各性能委员会都对 CFD的发展予以重点关注。例如，第21届ITTC的阻力与流动委员会，其主要任务几乎全部与CFD相关，包括：确定可作为设计工具的CFD精度要求，准备CFD用户指南；对一标模用有效的CFD 代码作标称伴流和实效伴流计算；用CFD方法计算形状因子与雷诺数的相关性；根据试验结果，给出网格、湍流模式和近壁模型对性能预报的影响。第22届ITTC的阻力委员会，把掌握CFD方法的进展、继续关注CFD验证技术发展，作为主要任务之一；第23届ITTC的阻力委员会，把CFD方法不确定度和实例研究作为主要任务之一。第24届ITTC的阻力委员会，与CFD相关工作包括，CFD方法不确定度分析、远场波预报和CFD在船舶设计中的应用[3]。
CFD技术之所以一直受到ITTC的关注，是因为随着计算机硬件的发展和CFD 技术的不断进步，CFD技术对于型线设计和改进的指导作用越来越突出。Janson等人（1997）从阻力的观点，发展了一种优化船型的CFD方法[4]，该方法采用SHIPFLOW 求解流场，采用CAD软件OCTOPUS程序求解非线性优化问题，二者自动耦合求解，无需人工干预。Hino等人（1999）通过求解RANS方程，优化实际船舶的型线[5]; Hideaki等人（2001）采用CAD/CFD组合的方法对船舶进行设计[6]，Yang等人（2001）将CFD技术用于多体船和波场优化[8]；Min等人（2003）将CFD技术用于VLCC的船型设计研究中[9]，Joseph等人（2003）将RANS程序用于一艘水面舰船的设计和分析[10]。目前，CFD技术已初步应用于船舶总体设计过程中，并成为船模试验的重要补充[11]~[14]。
与船模试验相比，CFD方法具有信息量大、成本低、周期短、能实现快速响应等特点和优势，已经成为船舶设计越来越重要的辅助手段。
目前，CFD方法已经成为计算船舶操纵运动水动力的主流方法，已能计算深、浅水条件下计及或忽略自由面兴波影响的定常斜航或回转运动船体、任意给定的非定常操纵运动船体的粘性流场和水动力，从而使CFD技术在船舶操纵性方面的应用日益实用化。
1.2 船舶操纵性预报研究进展
船舶操纵性是船舶重要的水动力性能之一，和船舶的航行安全性密切相关。但长期以来，一方面由于操纵性问题本身的复杂性，另一方面，由于船东从营运效率
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考虑，对操纵性的关心远不如对快速性等性能的关心，因而操纵性没有得到应有的重视；相对于其它水动力性能而言，对操纵性的研究相对较少，取得的进展比较缓慢。就民用船舶设计而言，传统上主要是从快速性和耐波性等角度出发进行船舶设计，很少顾及操纵性的要求；往往是在船舶设计甚至建造好后才对操纵性进行校核和试验验证，而这时改进操纵性的空间已经很小。这样，难免所设计、建造的船舶的操纵性比较差，因而难以保证安全航行[15]。
上世纪六、七十年代，随着大型、丰满船型的建造，船舶操纵困难的问题开始突显，船舶操纵性及与此相关的航行安全问题开始引起人们的重视。而近二十年来，随着船舶向大型化、高速化、专业化方向发展，不仅船舶操纵变得更加困难，而且发生海难事故造成的后果更为严重，例如震惊世界的12万吨利比里亚油船“托利?康荣”号在英吉利海峡的沉没，导致约8万吨原油流入海洋，使英、法两国沿岸300公里海域受到污染，仅为清除油污所动用的人力、物力就花费800万美元之巨[16]。为了加强操纵性预报与衡准，减少乃至避免因船舶操纵性差造成海难事故并由此带来生命财产损失和海洋环境污染，IMO作为负责海事安全的国际性权威机构，在制定船舶操纵性评估方法和操纵性标准方面做出了卓有成效的努力。
1993年，IMO全会通过了A.751（18）号决议“船舶操纵性暂行标准”[17]，给出了船舶应满足的表达船舶操纵性的特征值的定量指标。经过8年的试行，根据收集到的应用“船舶操纵性暂行标准”的反馈信息及各成员国的修改建议，IMO完成了对“船舶操纵性暂行标准”的修订，于2002年通过了MSC.137(76)号决议“船舶操纵性标准”[18]，并作为正式的船舶操纵性标准颁布实施。
IMO“船舶操纵性暂行标准”和“船舶操纵性标准”的颁布实施，使造船界对船舶操纵性越来越重视，给船舶设计和船舶操纵性相关问题研究带来了明显的冲击，开始改变着在船舶设计中把操纵性放在次要位置的传统方法，并极大地促进了船舶操纵性预报研究。
应该指出的是，IMO的“船舶操纵性标准”是针对船舶在深水、无限水域、无风浪流等环境干扰力影响、满载和无纵倾条件下以正常航速航行的情况提出的。而实际上，随着现代船舶的大型化，船舶吃水、船宽相应增加，当船舶在近岸、入海口、港湾和内河航道等水域航行时，这些水域相对于船舶而言水深变浅，航道宽度变窄，成为所谓的限制水域。航行在限制水域中的船舶，其操纵性和在无限水域中时有很大的不同。这种不同是由船舶在无限水域和限制水域航行时运动与受力不同造成的：航行在限制水域中的船舶，受水底和岸壁的影响，所受水动力通常更大；航行在浅
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第一章绪论
水中的船舶，通常伴随有较显著的下沉和纵倾（合称“下蹲”），而下蹲现象使船舶所受水动力进一步变大，这反过来又加剧了船体下蹲，并可能导致触底和搁浅事故的发生。所以，船舶在限制水域中航行时，发生碰撞、触底等海难事故的危险性更大。正因为如此，国际上有识之士已经认识到，船舶满足IMO现行的操纵性标准，并不能保证在限制水域中的安全航行；要切实提高船舶航行安全性，更重要的是要研究船舶在限制水域中的操纵运动与受力特点，提高船舶在限制水域中的操纵性，并制定相应的船舶操纵性标准[19]-[22]。
根据IMO“船舶操纵性标准”的要求，为了避免设计、建造不符合“船舶操纵性标准”的船舶，在船舶设计阶段就应该把操纵性作为需要考虑的水动力性能之一，对船舶操纵性做出预报和评估，并判断所设计的船舶是否满足IMO“船舶操纵性标准”。
在船舶设计阶段预报操纵性可以采用的方法有：数据库或回归公式（经验公式）估算方法，自由自航船模操纵性试验方法，船舶操纵运动方程（数学模型）加计算机模拟的方法，基于CFD技术的数值模拟方法[15]。
船舶操纵运动方程（数学模型）加计算机模拟的方法是通过建立船舶操纵运动方程并采用Runge-Kutta法等微分方程求解方法数值求解，在计算机上数值模拟标准操纵试验，得到船舶运动轨迹和相关运动参数，从而对船舶操纵性进行理论预报。采用该方法的前提条件是要建立合适的船舶操纵运动方程（数学模型），而确定其中的水动力系数是关键的关键。随着计算机科学技术的发展和各种能有效地求取操纵运动水动力系数的方法的出现，数学模型加计算机模拟的方法已经成为目前船舶操纵性预报最常用也最实用的方法。
在船舶设计阶段求取操纵运动水动力系数的方法主要有，约束船模试验方法、数据库或回归公式（经验公式）估算方法、自由自航船模试验加系统辨识的方法以及数值计算方法。数值计算方法是基于流体力学理论，从所考虑的物理问题出发，在一定的假设下建立操纵运动船舶绕流问题的数学模型，通过采用各种数值方法求解流体运动的控制方程，计算船舶绕流场和作用在船舶上的水动力。随着计算机科学技术的飞速发展和CFD技术在船舶水动力学学科的成功应用，数值计算方法日益成为船舶水动力性能研究的首选方法和模型试验研究方法的主要辅助手段，也为求取船舶操纵运动水动力系数提供了一种先进的工具。
计算作用在操纵运动船舶上的水动力的数值方法可以分为两大类，即势流方法和粘性流方法。势流方法主要有早期的基于小展弦比机翼理论、细长体理论的方法和现代的三维面元法（边界元方法）。由于作用在操纵运动船舶上的水动力本质上是
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由流体粘性引起的，直接地或间接地考虑粘性的影响对于精确计算作用在操纵运动船舶上的水动力是非常必要的。采用势流方法，对于粘性及由粘性引起的流动分离对水动力影响较小的小幅度操纵运动情况，可以通过引入环量并在船体尾缘处满足Kutta条件来间接地考虑粘性[28][29]；对于粘性及由粘性引起的流动分离对水动力影响较大的大幅度操纵运动情况，可以采用分离涡模型和横流模型等来间接地考虑粘性[30][31]。现代的比较先进的方法是粘性流计算方法，主要是求解雷诺平均的纳维尔-斯托克斯方程（Reynolds-Averaged Navier-Stokes Equations, RANSE）的数值方法，如有限体积法（Finite V olume Method, FVM）、有限差分法（Finite Difference Method, FDM）和有限解析法（Finite-Analytic Method, FAM）等。目前，已经能够运用粘性流方法计算船舶停泊过程和船-船超越或交会过程的非定常粘性流场和水动力[32]-[44]，已能计及船-桨-舵的相互影响[45]-[48]。
基于CFD技术的数值模拟方法已经成为计算操纵运动水动力乃至直接预报船舶操纵性的有效工具，但是一个未经验证的CFD工具是不能令人信服和放心使用的。在CFD方法已被广泛地开发和应用于船舶水动力性能预报并展示了其强大功能和应用前景的今天，国际船舶水动力学界已强烈地意识到对这类方法进行验证和确认的必要性和迫切性。
目前，第25届ITTC操纵性技术委员会正在组织一项旨在对各种预报操纵性的模拟方法进行验证和确认的比较研究，并筹备于2008年4月在丹麦哥本哈根召开一次国际专题研讨会“Workshop on Verification and Validation of Ship Manoeuvring Simulation Methods, SIMMAN2008”（详见研讨会网站：http://www.simman2008.dk）。
这项比较研究以KVLCC1、KVLCC2、KCS和DTMB5415为对象，其中，前两个船型为超级油轮，第三个船型为集装箱船，最后一个船型为水面舰艇。这四个船型曾被作为ITTC阻力技术委员会组织的比较研究的对象，已有丰富的流场、船体下沉和纵倾、自由面波形和阻力的数值与试验数据。
第25届ITTC操纵性技术委员会正在组织的操纵性比较研究的内容包括基于EFD的约束船模试验（PMM试验、圆周运动试验）和基于CFD的数值模拟；工况包括深水和浅水、裸船体和带附体船舶。参加比较研究的单位将按照研究的内容和工况进行数值和试验研究，并将在SIMMAN2008上进行交流。
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第一章绪论
1.3 本文主要内容
本文作为参与ITTC操纵性技术委员会组织的比较研究的一项研究工作，主要以三大主力船型中的大型油轮、上述比较研究中的标准船型之一KVLCC2为研究对象，开展了数值与试验研究。首先，采用CFD商业软件FLUENT，对该船模在深水和浅水中作斜航运动的粘性流场进行了数值模拟，计算了作用在船模上的横向水动力、艏摇力矩及表面压力分布。其次，制作了船模并在上海交通大学船模拖曳水池进行了斜拖试验，测量了作用在船模上的横向水动力和艏摇力矩。本文给出了KVLCC2船模的斜拖试验结果，并与本文的计算结果进行了对比，验证了本文的计算结果。
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第二章 船舶操纵运动粘性流计算基本理论和方法
本文计算基于FLUENT 软件，该软件集成了系统的理论和方法，内容非常丰富，以下仅介绍与本文工作内容相关的理论和方法。
2.1 流体力学基本方程
在流体力学中，基本方程包括连续方程和动量方程，其表达式分别为：
()m v S t
ρρ?+??=?G (2-1) 其中m S 为源项，当没有源项时，m S ＝0
()()()v vv p t
ρρτ?+??=??+???G GG (2-2) 式中v G 为笛卡尔坐标系中的速度矢量，p 为静压，τ为应力张量。 2.2 雷诺平均N-S 方程
在工程应用中，通常不直接求解湍流，而是采用雷诺平均的方法，将物理量分解为平均量和扰动量，替代精确控制方程。
RANS 方程控制平均流动量的输运，对所有尺度的湍流都进行模化，因此大大降低计算量和资源要求，在工程实践中得到广泛应用。所以对于控制方程，是将方程中的变量分解为时均变量和脉动变量两部分：
'φφφ=+ (2-3)
然后对方程两边取时间平均，得到时均的连续方程（以下为了简便，略去了时均物理量上的“－”号）：
0i i
u x ?=? (2-4) 和时均的N-S 方程，即雷诺平均N-S(RANS)方程：
第二章 船舶操纵运动粘性流计算基本理论和方法 8
''
2()()[()](-)3j i i i i j ij i j i j j j j i
j j u u u p u u u u u t x x x x x x x ρρμδρ????????+=?++?+???????? (2-5) 式中μ为分子粘性系数，''
-i j u u ρ称为雷诺应力。为使方程封闭，必须对雷诺应力项
进行模化。
2.3 湍流模型
基于Boussinesq 假设的雷诺应力表达式为：
''2-()(3j i k i j
t t ij j i k u u u u u k x x x ρμρμδ???=+?+??? (2-6) 它把雷诺应力和平均速度梯度结合起来，适用于大多数流动。但当各向异性的流动显著时，该假设便不再适用，必须用雷诺应力模式。以下仅介绍本文中用到的两方程模式K ε?模式和K ω?模式。
2.3.1 K ε?模式
K ε?模式，包括标准模式Standard K ε?、重整化群模式RNG K ε?和可实现的模式Realized K ε?模式。对于输运方程K ε、，三种模式具有相同的形式，其主要差异为：
1) 湍流粘性的计算方法不一样；
2) 控制扩散的K ε、普朗特数不一样；
3)ε方程的生成和耗散项不一样。
RNG K ε?模式采用了严格的统计技术（称为重整化群组理论），方程可表达为：
()()t i k i j k j k k ku G t x x x μρρμρεσ?????????????+=++????????????
????? (2-7) 212()()t i k i j k j u C G C R t x x x k k εεεμεεερερεμσ?????????????+=++?????????????
????? (2-8) 其中，附加项R ε的表达式为：
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03
(1/)1C R k μερηηηεβη?=+, /Sk ηε≡ (2-9) 相关常数为：0 4.38η=，0.012β=，0.0845C μ=，1 1.42C ε=，2 1.68C ε=
第三章 一元流体动力学基础 1.直径为150mm 的给水管道，输水量为h kN /7.980，试求断面平均流速。 解：由流量公式vA Q ρ= 注意：()vA Q s kg h kN ρ=?→// A Q v ρ= 得：s m v /57.1= 2.断面为300mm ×400mm 的矩形风道,风量为2700m 3/h,求平均流速.如风道出口处断面收缩为150mm ×400mm,求该断面的平均流速 解：由流量公式vA Q = 得：A Q v = 由连续性方程知2211A v A v = 得：s m v /5.122= 3.水从水箱流经直径d 1=10cm,d 2=5cm,d 3=2.5cm 的管道流入大气中. 当出口流速10m/ 时,求 (1)容积流量及质量流量;(2)1d 及2d 管段的流速 解：(1)由s m A v Q /0049.0333== 质量流量s kg Q /9.4=ρ (2)由连续性方程： 33223311,A v A v A v A v == 得：s m v s m v /5.2,/625.021== 4.设计输水量为h kg /294210的给水管道，流速限制在9.0∽s m /4.1之间。试确定管道直径，根据所选直径求流速。直径应是mm 50的倍数。 解：vA Q ρ= 将9.0=v ∽s m /4.1代入得343.0=d ∽m 275.0 ∵直径是mm 50的倍数，所以取m d 3.0= 代入vA Q ρ= 得m v 18.1= 5.圆形风道，流量是10000m 3/h,，流速不超过20 m/s 。试设计直径，根据所定直径求流速。直径规定为50 mm 的倍数。 解：vA Q = 将s m v /20≤代入得：mm d 5.420≥ 取mm d 450= 代入vA Q = 得：s m v /5.17= 6.在直径为d 圆形风道断面上，用下法选定五个点，以测局部风速。设想用和管轴同心但不同半径的圆周，将全部断面分为中间是圆，其他是圆环的五个面积相等的部分。测点即位于等分此部分面积的圆周上，这样测得的流速代表相应断面的平均流速。（1）试计算各测点到管心的距离，表为直径的倍数。（2）若各点流速为54321u u u u u ，，，，，空气密度为ρ，求质量流量G 。
船舶动力装置
1.船舶动力装置的含义及组成 含义:船舶动力装置保证船舶正常航行、作业、停泊以及船员、旅客正常工作和生活所必需的机械设备的综合体。 组成：①推进装置（主发动机、推进器、传动设备）；②辅助装置（船舶电站、辅助锅炉装置）；③机舱自动化；④船舶系统（动力管系、船舶管 系）；⑤甲板机械（锚泊机械、操舵机械、起重机械） 2.动力装置类型 类型：柴油机推进动力装置、汽轮机推进动力装置、燃气轮机推进动力装置、核动力推进动力装置、联合动力推进动力装置 ①柴油机：优点:A. 有较高的经济性，耗油率比蒸汽、燃气动力装置低得多；B. 重量轻(单位重量的指标小)；C. 具有良好的机动性，操作简单， 启动方便，正倒车迅速；D. 功率范围广。缺点:A. 柴油机尺寸和重量按 功率比例增长快；B. 柴油机工作中的噪声、振动较大；C. 中、高速柴油 机的运动部件磨损较厉害； D. 柴油机低速稳定性差；E. 柴油机的过载能力相当差。 ②蒸汽轮机：优点:a. 单机功率大,可达7.5×104kW以上； b. 转速稳定， 无周期性扰动力，机组振动噪声小；c. 工作可靠性高；d. 可使用劣质燃 料油。缺点:a. 总重量大，尺寸大；b. 燃油消耗率高；c. 机动性差,启 动前准备时间约为30~35min，紧急须15~20min 。 ②燃气轮机：优点:a. 单位功率的重量尺寸小；b. 启动加速性能好；c. 振动小，噪声小。缺点:a. 主机没有反转性；b. 必须借助启动机械启
动；c. 叶片材料昂贵，工作可靠性较差，寿命短；d. 进排气管道尺寸大，舱内布置困难。 ④电力推进：交流电力推进装置具有极限功率大，效率高和可靠性好的优点（结合电力传动分析挖泥船，破冰船） 8.中间轴承 中间轴承：是为减少轴系挠度设置的支承点，用来承受中间轴本身的重量，以及因其变形或运动而产生的径向负荷（非重点） 中间轴承的设置：尾管无前轴承者，则中间轴承尽量靠近尾管前密封；中间轴承应设在轴系上集中质量处附近，如调距桨轴系的配油箱附近;每根中间轴一般只设一个中间轴承（极短中间轴不设）。（非重点） 中间轴承的位置与间距： 位置：靠近一段法兰处，距法兰端面距离0.2l 轴承间距的大小及其数目，对轴的弯曲变形、柔性和应力均有很大的影响。间距适当增加使轴系柔性增加，工作更为可靠，对变形牵制小，使额外负荷反而减小。 3.船舶动力装置性能指标
论述船舶动力装置设计的主要要求： 一．总体设计要求 动力装置是一套很复杂的机电设备，各个机械设备和系统之间互相联系又互相制约。对设计的要求也是多方面的，总的要求主要可以简介为如下几个方面。1．技术性与经济性 谓技术性是指船舶能满足预定的使用要求。对运输船舶而言，主要是从动力装置设计方面考虑如何保证运输能力，如装载能力、航速、装卸效率等；对于专用的作业船舶和海洋平台，要能具备完成特定的施工或作业的能力，并能保证作业质量。保证新船的适用性是设计中处理各种矛盾时首先要考虑的因素。 提高船舶的经济性是设计工作的重要目标。船舶的经济性涉及三个基本要素，即建造成本、营运开支和营运收入。设计中的技术措施是否恰当，决策是否正确，对船舶的经济性会产生很大的影响。设计工作中必须把经济性放在十分重要的地位来考虑。有时，一项好的技术措施可能会节约大笔的投资，因此对不同用途的船舶，对于动力装置的选型就非常重要。但是，一般来说，动力装置的各项要求，往往是相互联系、相互影响的。把一个要求的指标提高，往往会使另一个要求的指标被迫降低。设计中经常遇到的是技术性能和经济性相互矛盾的情况，这就需要进行技术与经济的综合评估或论证，使之得到合理的统一。经济是技术发展的基础和动力，技术是实现经济目的的手段和工具，两者相互渗透、相互推动。 2．安全与可靠性 船舶的安全是关系到人命和财产以及环境污染的重大问题。因此，安全性是船舶的一项基本质量指标。为保证船舶的安全，政府主管机关制定了船舶设计和建造的法规，国际组织(例如IMO——国际海事组织)通过政府间的协定，制定各种国际公约和规则。这些法规公约和规则对船舶的安全措施提出了全面的要求。政府法规是强制执行的，凡是船籍国政府接受、承认或加入的国际公约和规则都纳入在法规之中，船舶设计必须满足这些法规的要求。 此外，入级船舶还要满足船级社制定的入级与建造规范，规范的规定主要也是基于船舶安全方面的考虑。总之．动力装置设计中必须严格遵守法规和规范的规定，满足法规和规范的要求，这是保证船舶安全的最基本的措施。 所以在具体的船舶动力装置选型设计当中，必须要有一个全局和综合的观念，相关和协调的思路去考虑问题，充分论证，才能做出一个合理的船舶设计。 二．船舶设计阶段的划分和工作内容 船舶总体设计的任务是针对设计任务规定的要求，制定一个既切实可行又效果良好的的工程设计。 总体设计，技任务的性伍，可分为两大类，一种叫发展性设计，一种叫生产件设计。 根据用船部门的发展计划提出，用船部门需要一种新船型，这种新船具有更复杂和更高级的要求，设计工作不能以某船为仿效典型而必须针对任务的要求进行大量的分析工作，运用不同的技术和措施，提出可能的方案，以便进行对比，然后选取其中性能优良的设计方案，这种设计称为发展性设计。对于发展性设计，其特点是要求严格，但技术上的具体约束比较小，例如机器设备的选择有较大自由度，有些特殊性的没备在建造前或建造间可能还要经过试验或试制等，它往往是性能先进的产品，常常要采用新技术和措施，因而常有一定程度的试验性．按此设计建成的第一艘新船称为原型船。原型船建成后要经过试用考验，从实践中检查新技术的使用是否成功，各种技术措施的实际性能是否与预计相符等。对试用中出现的问题和缺点，必须加以改进和再试研。如试用结果是良好的，说明设计是成功的，可以正式投入生产。如暴露出较大问题，则设计必须作较大的修改。如问题很严重，例如性能不稳定或离设汁指际较远，
第三章流体动力学基础复习题 一、概念部分 1、描述流体运动的方法有和；前者以为研究对象，而后者以为研究对象。 2、流体运动的几何描述有：，，和。 3、流线有什么特点？流线、脉线和迹线有什么区别和联系？ 4、流体微团基本运动形式有，和变形运动等， 而变形运动又包括和两种。 5、描述有旋运动几何要素有、和。 6、判断正误：理想流体不存在有旋运动是否正确？为什么？试举例说明。 7、表征涡流的强弱的参数有和。 8、在无涡流空间画出的封闭周线上的速度环量为。 9、简述汤姆孙定理的内容 10、速度势函数?存在的条件是什么？流函数存在的条件是什么？ 11、简述流函数的物理意义的内容，并证明。 12、流网存在的条件是什么？简述流网的性质所包含的内容？ 13、无环量圆柱绕流运动由流、流和流叠加而成，有环量的圆柱绕流运动是无环量的圆柱绕流运动与流叠加而成。 14、是驻点。通过驻点的流线一定是零流线，是否正确？为什么？零流线是。轮廓线是。 15、描述流体运动的微分方程有、和。 写出它们的表达式。 16、纳维-斯托克斯方程中的速度只能是平均速度，是否正确？为什么？ 17、写出总水头和测压管水头的表达式，并说明各项的物理意义。 18、写出总压、全压和势压得表达式，并说明各项的物理意义。 19、简述系统和控制体的定义和特点 二、计算部分 1、已知拉格朗日描述：求速度与加速度的欧拉描述 2、试判断下列流场的描述方式：并转换成另一种描述方式 3、已知用欧拉法表示的流场速度分布规律为： 试求在t=0时刻位于点（a,b)的流体质点的运动轨迹及拉格朗日法表示的速度场 4、粘性流体在半径为R 的直圆管内做定常流动。设圆管截面（指垂直管轴的平面截面）上?????==-t t be y ae x ()()?????+-=+-=-t y t x e b u e a u 1111???+=+=t y u t x u y x
船舶动力装置课后习题集（1-8章） 1.下列热力发动机中，不属于内燃机的是________。A．柴油机 B．燃气轮机 C．汽 轮机 D．汽油机 2.在柴油机气缸中燃烧的是________。A．柴油 B．燃烧产物C．空气中的氧气D．燃 油蒸汽与空气的可燃混合气 3.在热力发动机中，柴油机最突出的优点是________. A．热效率最高B．功率最大 C．转速最高 D．结构最简单 4.________不是柴油机的优点. A．经济性好 B．机动性好 C．功率范围广 D．运转平稳柔和，噪音小 5.柴油机的一个工作循环由________过程组成。A．二个 B．三个 C．一个 D．五 个 6.高速柴油机是指________.A. 标定转速在300～1000r/min范围的柴油机B.标定转速低 于150r/min的柴油机C.标定转速高于1000r/min的柴油机D.标定转速低于300r/min 的柴油机 7.发电柴油机多用四冲程筒形活塞式柴油机主要是因为________.A．结构简单 B．工 作可靠 C．转速满足发电机要求 D．单机功率大 8.柴油机的压缩容积是指________.A．进气阀关闭时的气缸容积 B．活塞在下止点 时的气缸容积C．活塞在上止点时的气缸容积D．活塞由上止点到下止点所经过的空间 9.气缸工作容积是指________.A．燃气膨胀做功时的气缸容积 B．活塞在上止点时的气 缸容积C．活塞从上止点到下止点所经过的气缸容积D．活塞在下止点时气缸容积10.柴油机活塞在上止点时，活塞顶上方的容积称________.A．气缸总容积 B．气缸 工作容积C．燃烧室容积D．燃烧室容积或气缸工作容积 11.四冲程柴油机完成一个工作循环曲轴转周________。A．1 B．2 C．3 D．4 12.排气阀不在上、下止点位置关闭，其目的是为了________.A．提高压缩压力 B．扫 气干净 C．充分利用热能D．提高进、排气量 13.下列气阀定时失准的情况，会造成燃气膨胀功损失增大的是________.A．进气提前角过 大 B．排气提前角过大 C．进气提前角过小 D．排气提前角过小 14.下列四种气阀定时失准的情况中，会造成气缸中的废气倒流入进气道的是 ________.A．进气提前角过大B．排气提前角过大 C．进气延迟角过大 D．排气延迟角过大 15.中小型柴油机的机座结构形式大都采用________.A．分段铸造结构B．整体铸造结构 C．钢板焊接结构 D．铸造焊接结构 16.在对机座整体机械性能的要求中，最首要的是________.A．抗拉强度B．刚性 C．抗 冲击韧性 D．耐疲劳强度 17.会导致机座产生变形的原因中，不正确的是________.A．曲轴轴线挠曲B．船体变形 C．机座垫块安装不良 D．贯穿螺栓上紧不均 18.下述四个柴油机部件中，不安装在机体上的部件是________.A．进、排气管 B．气缸 套C．凸轮轴 D．气缸盖 19.柴油机的气缸套安装在________.A．曲轴箱中 B．机座中C．机架中 D．机体中 20.柴油机贯穿螺栓上紧力矩不均匀度过大易产生的不良后果是________.A．上紧力矩过大 的螺栓会产生塑性伸长变形B．会引起机座变形 C．会破坏机体上下平面的平行度D．会造成机体变形缸线失中 21.柴油机气缸润滑油应具有一定的碱值，其作用是________.A．加强气缸的密封性 B．加 强冷却效果 C．减轻低温腐蚀 D．减轻高温腐蚀 22.气缸套在柴油机上的安装状态是________.A．上端固定，下端可以自由膨胀B．下 端固定，上端可以自由膨胀C．径向固定，轴向可以自由膨胀 D．轴向固定，径向
船舶动力装置原理与设计复习思考题 第1章 1、如何理解船舶动力装置的含义？它有哪些部分组成？ 答：船舶动力装置的含义：保证船舶正常航行、作业、停泊以及船员、旅客正常工作和生活所 必需的机械设备的综合体。 组成部分：推进装置：包括主机、推进器、轴系、传动设备。 辅助装置：发电机组、辅助锅炉、压缩空气系统。 甲板机械 船舶管路系统 机舱自动化设备。 特种设备 2、简述柴油机动力装置的特点。 优点： a)有较高的经济性，耗油率比蒸汽、燃气动力装置低得多； b)重量轻(单位重量的指标小)； c)具有良好的机动性，操作简单，启动方便，正倒车迅速； d)功率范围广。 缺点： a)柴油机尺寸和重量按功率比例增长快； b)柴油机工作中的噪声、振动较大； c)中、高速柴油机的运动部件磨损较厉害； d)柴油机低速稳定性差； e)柴油机的过载能力相当差 3、船舶动力装置的技术特征包括哪些技术指标？ a)技术指标标志动力装置的技术性能和结构特征的参数。包括功率指标﹑质量指标和 尺寸指标。 b)经济指标代表燃料在该动力装置中的热能转换率。有燃料消耗率﹑装置总效率﹑推 进装置热效率﹑每海里航程燃料耗量及动力装置的运转-维修经济性。 c)性能指标代表动力装置在接受命令，执行任务中的服从性﹑坚固性和对外界条件、 工作人员的依赖性。因此它包括机动性﹑可靠性﹑自动远操作性能﹑牵曳性能以及噪声振动的控制等指标
4、说明推进装置功率传递过程，并解释各个效率的含义。 指示功率 →主机额定功率 →最大持续功率 →轴功率 →收到功率 →推力功率 →船舶有效功率 指示功率：表示柴油机气缸中气体作功的能力； 最大持续功率（额定功率）MCR ：在规定的环境状况（不同航区有不同的规定，如无限航 区环境条件：绝对大气压为0.1Mpa;环境温度为45℃；相对湿度为60%；海水温度“中冷器进口处”为32 ℃和转速下），柴油机可以安全持续运转的最大有效功率； 轴功率：指在扣除传动设备、推力轴承和中间轴承等传动设备后的输出功率； 螺旋桨收到功率： 扣除尾轴承及密封填料损失后所输出的功率。 推力功率：是螺旋桨产生使船航行的功率。 船舶有效功率：P e =R ×V s ×10-3 7、如何理解经济航速的含义？ 1.节能航速：节能航速是指每小时燃油消耗量最低时的静水航速，它常由主机按推进特性运行时能维 持正常工作的最低稳定转速所决定。营运船舶在实现减速航行时，主机所输出的功率大大减少，其每海里燃油消耗率大幅度降低。但航速降低后，营运时间被延长，运输的周转量也少，故当船舶需实现减速航行时，应结合企业的货源、运力及完成运输周转量的情况综合考虑后再决策。 2.最低营运费用航速：船舶航行一天的费用，主要由其固定费用(折旧费、修理费、船员工资、港口 驶费、管理费、利息、税金，以及船舶停泊期间的燃、润油费等)和船舶航行时燃、润油费用构成。最低营运费用航速是指船舶每航行1海里上述固定费用及航行费用最低时的航速，可供船舶及其动力装置的性能评价及选型用。在满足完成运输周转量的前提下，船舶按最低营运费用航速航行，其成本费用最省，但它并未考虑停港时间及营运收入的影响，故不够全面。 3.最大盈利航速：最大盈利航速是指每天(或船舶在营运期间)能获得最大利益的航速。此航速的大小， 往往与每海里(或公里)运费收入、停港天数及船舶每天付出的固定费用有关。一般在运费收入低、停港时间长、运距短、油价高的情况下，其最大盈利航速相对较小。 （图在下一页） BHP 、主机输出有效功率； DHP 、螺旋桨收到功率； EHP 、螺旋桨发出
船舶动力装置课程设计 一、设计目的 1、进一步掌握舰船动力装置的基本概念和基本理论； 2、掌握船机浆设计工况选择的理论和方法； 3、掌握工况船舶采用双速比齿轮箱速比优先选计算方法； 4、掌握主机选型的基本步骤方法； 5、初步掌握船机浆工况配合特性的综合分析方法。 二、基本要求 1、独立思考，独立完成本设计； 2、方法合适，步骤清晰，计算正确； 3、书写端正，图线清晰。 三、已知条件 1、船型及主要尺寸 (1) 船型：单机单桨拖网渔船 (2) 主尺度 序号尺度单位数值 1 水线长M 41.0 2 型宽M 7.8 3 型深M 3.6 4 平均吃水M 3.0 5 排水量T 400.0 6 浆心至水面距离M 2.5 (3) 系数 名称方形系数Cb 菱形系数Cp 舯刻面系数数值0.51 0.60 0.895 (4) 海水密度ρ =1.024T/M3 2、设计航速 状态单位数值 自航KN 10.4 拖航KN 3.8 3、柴油机型号及主要参数 序号型号标定功 率(KW) 标定转速 (r/min) 柴油消耗率 （g/kw·h） 重量（kg） 外形尺寸（L× A×H）mm 1 6E150C-1 163 750 238 2500 2012×998× 1325 2 6E150C-1 220 750 238 3290 2553×856× 1440 3 8E150C-A 217 1000 228 2700 2065×1069× 1405 4 8E150C-A 289 1000 228 3500 2591×957× 1405
5 6160A-13 164 1000 238 3900 3380×880× 1555 6 X6160ZC 220 1000 218 3700 3069×960× 1512 7 6160A-1 160 750 238 3700 3380×880× 1555 8 N-855-M 195 1000 175 1176 9 NT-855-M 267 1000 179 1258 1989×930× 1511 10 TBD234V8 320 1000 212 4、齿轮箱主要技术参数 序号型号 额定传递能 力kw/(r/min) 额定输入 转速 （r/min） 额定扭 矩N*m 额定推 力KN 速比 1 300 0.184--0.257 750--1500 1756.2-- 2459.8 49.0 2.04,2.5,3 ,3.53,4.1 2 D300 0.184--0.257 1000-2500 1193.64- -2459.8 49.0 4,4.48,5.0 5,5.5,5.9, 7.63 3 240B 0.18 4 1500 1756 30--50 1.5,2.3 4 SCG3001 0.16--0.22 750--2300 30--50 1.5,2.3,2. 5,3.5 5 SCG3501 0.257 750--2300 1.3,2.3,2. 5,3.5,4 6 SCG3503 0.25 7 1000-2300 4.5,5,5.5, 6,6.5,7 7 SCG2503 0.184 1000-2300 4,4.5,5,6, 6.5,7 8 GWC3235 0.45--1.35 --1800 4283--12 858 112.7 2.06,2.54, 3.02,3.57, 4.05,4.95 5、双速比齿轮箱主要技术参数 序号型号额定传递能 力 kw/(r/min) 额定输入转 速（r/min） 额定推力 KN 速比 1 GWT36.39 0.42--1.23 400--1000 98.07 2--6 2 GWT32.35 0.52--1.32 --1800 112.78 2--6 3 MCG410 0.74--1.8 4 400--1200 147.0 1--4.5 4 S300 0.18--0.26 750--2500 49.03 2.23,2.36，2.52,2.56
《船舶动力装置原理与设计》 说明书 设计题目：民用船舶推进轴系设计 设计者：陈瑞爽 班级：轮机1302班 华中科技大学船舶与海洋工程学院 2015年7月
一.设计目的 主机与传动设备、轴系和推进器以及附属系统，构成船舶推进装置。因此，推进装置是动力装置的主体，其技术性能直接代表动力装置的特点。推进装置的设计包括轴系布置、结构设计、强度校核以及传动附件的设计与选型等，而尾轴管装置的作用是支承尾轴及螺旋浆轴，不使舷外水漏人船内，也不能使尾轴管中的润滑油外泄，因此，尾轴管在推进系统设计中意义重大。本设计是根据指导老师给出的条件，对船舶动力装置进行设计，既是对课程更深入的理解，也是对自身专业能力的锻炼。 二,设计详述 2.1：布置设计 本船为单机单桨。主机经减速齿轮箱减速后将扭矩通过中间短轴传给螺旋桨轴和螺旋桨。本计算是按《钢质海船入级规范》（2006年）（简称《海规》）进行。 因此，我们将轴系布置在船舶纵中剖面上，其中，轴的总长为9000mm，轴系布置草图及相关尺寸，见图1。 图1 2.2：轴系计算
（一）：已知条件： 1．主机：型号：8PC2-6 型式：四冲程，直列，不可逆转，涡轮增压，空冷船用柴油机 缸数：8 缸径/行程：400/460mm 最大功率（MCR）：4400kW×520rpm 持续服务功率：3960kW×520rpm 燃油消耗率：186g/kW·h+5% 滑油消耗率：1.4g/kW·h 起动方式：压缩空气3~1.2MPa 生产厂：陕西柴油机厂 2．齿轮箱：型号300，减速比3：1。 3．轴：材料35#钢，抗拉强度530MPa，屈服强度315MPa。 4．键：材料45#钢，抗拉强度600MPa，屈服强度355MPa。 5．螺栓：材料35#钢，抗拉强度530MPa，屈服强度315MPa (二)：轴直径的确定 根据已知条件和“海规”，我们可以计算出轴的相关数据，计算列表见表3.1： 表3.1轴直径计算 考虑到航行余量，轴径应在计算的基础上增大10%。故最终取297.70 mm 根据计算结果，取螺旋桨轴直径为379.96 mm，中间轴直径为297.70mm。 上表螺旋桨直径计算中，F为推进装置型式系数
、设计目的 1、进一步掌握舰船动力装置的基本概念和基本理论; 2、掌握船机浆设计工况选择的理论和方法; 3、掌握工况船舶采用双速比齿轮箱速比优先选计算方法; 4、掌握主机选型的基本步骤方法; 5、初步掌握船机浆工况配合特性的综合分析方法。 、基本要求 1、独立思考，独立完成本设计; 2、方法合适，步骤清晰，计算正确; 3、书写端正，图线清晰。 三、已知条件 1、船型及主要尺寸 (1)船型：单机单桨拖网渔船 (2)主尺度 (3)系数 ⑷海水密度P =M3
2、设计航速 3、柴油机型号及主要参数
4、齿轮箱主要技术参数 5、双速比齿轮箱主要技术参数 1、船体有效功率，并绘制曲线
2、确定推进系数 3、主机选型论证 4、单速比齿轮箱速比优选，桨工况特性分析 5、双速比齿轮箱速比 6、综合评判分析 五、参考书目 1、渔船设计》 2、船舶推进》 3、船舶概论》 4、船舶设计实用手册》（设计分册） 六、设计计算过程与分析 1、计算船体有效功率 ⑴ 经验公式：EHP=（EOA E）AV L 式中：EHP ---- 船体有效马力, A 排水量（T），L 船长（M）。在式①中船长为时，A E的修正量极微，可忽略不计。所以式①可简化为EHP=EA V L。 根据查《渔船设计》 5、可知EO 计算如下：船速v= X 十=S, L=,C p=;V/(L/10)3= - /(41 - 10）3=;v/ Vgl=VX 41）=; 通过查《渔船设计》可得E0=。 (2)结果：EHP=E(O AXV L = 2、不确定推进系数 (1)公式PX C=P/ P s=n c Xn sXn pXn r 式中P E：有效马力；P s：主机发出功率；n C：传动功率；n S：船射效率；n P： 散水效率；n r :相对旋转效率。 2）参数估算 伴流分数：w=－= 推力减额分数：由《渔船设计》得t= －=
一、单项选择题 1．以下的热力发动机中，不属于内燃机的是（）。(答案：C) A．柴油机B．燃气轮机C．汽轮机D．汽油机 2．在热力发动机中，柴油机最突出的优点是（）。(答案：A) A．热效率最高B．功率最大C．转速最高D．结构最简单 3．（）不是柴油机的优点。(答案：D) A．经济性好B．机动性好 C．功率范围广D．运转平稳柔和，噪声小 4．发电柴油机多用四冲程筒形活塞式柴油机主要是因为（）。(答案：C) A．结构简单B．工作可靠 C．转速满足发电机要求D．单机功率大 5．四冲程柴油机完成一个工作循环曲轴转（）周。(答案：B) A．1 B．2 C．3 D．4 6．测量偏移和曲折的工具，在内河船舶中常采用（）。(答案：B) A．百分表+塞尺B．直尺+塞尺C．百分表D．专用量具 7．中小型柴油机的机座结构形式大都采用（）。(答案：B) A．分段铸造结构B．整体铸造结构C．钢板焊接结构D．铸造焊接结构8．会导致柴油机机座产生变形的原因中，不正确的是（）。(答案：A) A．曲轴轴线绕曲B．船体变形 C．机座垫块安装不良D．贯穿螺栓上紧不均 9．下述四个柴油机部件中，不安装在机体上的部件是（）。(答案：A) A．进、排气管B．气缸套C．凸轮轴D．气缸盖 10．柴油机贯穿螺栓上紧力矩不均匀度过大最易产生的不良后果是（）。(答案：B) A．上紧力矩过大的螺栓会产生塑性伸长变形 B．会引起机座变形 C．会破坏机体上下平面的平行度 D．会造成机体变形缸线失中 11．四冲程柴油机气缸盖上安装的部件中，不包括以下哪一种? （）。(答案：B)
A．喷油器B．喷油泵C．示功阀D．进、排气阀 12．柴油机在冷态时应留有合适的气阀间隙的目的是（）。(答案：C) A．为了加强润滑B．为了加强冷却 C．为防止运转中气阀关闭不严D．为防止运转中气阀卡死 13．柴油机气缸盖安装后试车时发现密封圈处漏气，原因分析中不正确的是（）。(答案：C) A．密封平面不洁夹有异物B．缸盖螺母上紧不足或上紧不均 C．最高爆发压力过高D．气缸盖发生了变形 14．柴油机主轴承的润滑介质是（）。(答案：C) A．水B．柴油C．滑油D．重油 15．柴油机曲轴的每个单位曲柄是由（）组合而成。(答案：D) A．曲柄销、曲柄臂B．曲柄销、主轴颈 C．曲柄臂、主轴颈、主轴承D．曲柄销、曲柄臂、主轴颈 16．柴油机飞轮制成轮缘很厚的圆盘状，目的是要在同样质量下获得最大的（）。 (答案：C) A．刚性B．强度C．转动惯量D．回转动能 17．中、高速柴油机都采用浮动式活塞销的目的是（）。(答案：D) A．提高结构的刚度B．增大承压面积，减小比压力 C．有利于减小配合间隙使运转更稳定D．活塞销磨损均匀，延长使用寿命 18．测量柴油机新换活塞环搭口间隙时应将环平置于气缸套的（）。(答案：C) A．内径磨损最大的部位B．内径磨损不大也不小的部位 C．内径磨损最小的部位D．首道气环上止点时与缸套的接触部位 19．倒顺车减速齿轮箱离合器主要用于哪种主机？（）。(答案：A) A．高速柴油机B．低速柴油机C．四种程柴油机D．二冲程柴油机20．四冲程柴油机连杆在工作时的受力情况是（）。(答案：C) A．只受拉力B．只受压力 C．承受拉压交变应力D．受力情况与二冲程连杆相同 21．当柴油机排气阀在长期关闭不严情况下工作，不会导致（）。(答案：C) A．积炭更加严重B．燃烧恶化C．爆发压力上升D．阀面烧损 22．把柴油机回油孔式喷油泵下的微调螺钉旋入，使柱塞位置有所降低，会使（）。(答
粘流复习大纲 1 卡门涡街、阻力危机和马格努斯效应等基本概念 2 流线、迹线、时间线和烟线的概念和物理含义（坐标系的影响） 3 涡量输运方程各项的物理意义，涡动力学亥姆霍兹三定理的内容、涵义及成立的条件，涡量以及流动‘有旋’或‘无旋’的定义，能判断简单流动是否有旋 4 推导N-S方程时所用到的Stokes三假设的内容 5 一些无量纲参数的定义和物理意义（Re, Ec, Pr），及其与速度边界层和温度边界层特性之间的内在关联，壁面恢复温度的概念 6 库特剪切流、突然起动平板流解的主要结论，库特剪切流的速度分布、温度分布，能够运用能量方程来分析库特剪切流的能量平衡 7 边界层的各种特征厚度及形状因子，边界层动量积分方程和计算，基于控制体积分方法分析边界层的流动 8 普朗特边界层理论，边界层微分方程的导出及主要结论，相似解的概念，布拉休斯解的主要结论 9 湍流的基本概念及主要特征（四个），湍流脉动与分子随机运动之间的差别 10 层流稳定性的基本思想，瑞利定理和费约托夫定理，中性稳定线，平板边界层稳定性研究得到的主要结果 11 猝发现象，能叙述边界层转捩的主要过程（典型流动现象） 12 影响转捩过程的主要因素以及控制边界层转捩的主要方法、判别转捩的试验方法 13 湍流的两种统计理论，能谱分析方法的主要结论，半经验理论中流场参数平均的三种方法 14 耗散涡、含能涡的尺度、特征与主要作用，及其特征尺度的描述参数 15 均匀剪切湍流、均匀湍流、各向同性湍流和局部平衡湍流的概念、特征和典型示例 16 不可压下的时均连续方程、动量方程，以及由此而来的方程组封闭性问题，雷诺应力的概念和物理意义 17时均动能方程、湍动能方程中各项的物理意义和特点，及能量平衡 18 目前，湍流的数值模拟的3个层次及各自的特点 19 湍流模型建立的基本法则和各项模化的一般方法 20 湍流模型的分类，涡粘模型的基本假设（布希内斯克的涡粘假定），普朗特混合长度理论，科尔莫果洛夫－普朗特理论，能量方程模型、k-e模型、k-w模型的湍流粘性系数的求法 21 湍流模型近壁区处理的几种方法及对计算网格的要求 22 ASM模型的优点和得出的基本假设 23湍流边界层的宏观结构和速度分布特性 湍流边界层内的湍动特性及能量平衡（包括时均动能和湍动能）
第三章 流体动力学基础 习 题 一、单选题 1、在稳定流动中，在任一点处速度矢量是恒定不变的，那么流体质点是 （ ） A ．加速运动 B ．减速运动 C ．匀速运动 D ．不能确定 2、血管中血液流动的流量受血管内径影响很大。如果血管内径减少一半，其血液的流量将变为原来的（ ）倍。 A ．21 B ．41 C ．81 D ．161 3、人在静息状态时，整个心动周期内主动脉血流平均速度为0.2 m/s ，其内径d =2×10-2 m ，已知血液的粘度η =×10-3 Pa·S，密度ρ=×103 kg/m 3 ，则此时主动脉中血液的流动形态处于（ ）状态。 A ．层流 B ．湍流 C ．层流或湍流 D ．无法确定 4、正常情况下，人的小动脉半径约为3mm ，血液的平均速度为20cm/s ，若小动脉某部分被一硬斑阻塞使之变窄，半径变为2mm ，则此段的平均流速为（ ）m/s 。 A ．30 B ．40 C ．45 D ．60 5、有水在同一水平管道中流动，已知A 处的横截面积为S A =10cm 2 ，B 处的横截面积为 S B =5cm 2，A 、B 两点压强差为1500Pa ，则A 处的流速为（ ）。 A ．1m/s B ．2m/s C ．3 m/s D ．4 m/s 6、有水在一水平管道中流动，已知A 处的横截面积为S A =10cm 2 ，B 处的横截面积为S B =5cm 2 ，A 、B 两点压强之差为1500Pa ，则管道中的体积流量为（ ）。 A ．1×10-3 m 3 /s B ．2×10-3 m 3 /s C ．1×10-4 m 3 /s D ．2×10-4 m 3 /s 7、通常情况下，人的小动脉内径约为6mm ，血流的平均流速为20cm/s ，若小动脉某处被一硬斑阻塞而变窄，测得此处血流的平均流速为80cm/s ，则小动脉此处的内径应为（ ）mm 。 A ．4 B ．3 C ．2 D ．1 8、正常情况下，人的血液密度为×103 kg/m 3 ，血液在内径为6mm 的小动脉中流动的平均速度为20cm/s ，若小动脉某处被一硬斑阻塞而变窄，此处内径为4mm ，则小动脉宽处与窄处压强之差（ ）Pa 。 二、判断题
船舶动力装置练习题（1-8） 概念 1.按我国的有关规定，柴油机的缸号编制及对曲轴转向的判断方法是： A．从自由端起 为第一缸，面向自由端判断曲轴转向B．从自由端起为第一缸，面向飞轮端判断曲轴转向C．从飞轮端起为第一缸，面向飞轮端判断曲轴转向D．从飞轮端起为第一缸，面向自由端判断曲轴转向 2.柴油机气缸对外做功的工质是： A．柴油B．燃烧产物 C．空气中的氧气 D．燃 油油雾与空气的可燃混合气 3.柴油机气缸内燃烧的物质是： A. 空气 B. 燃油 C. 氧气 D. 可燃混合气 4.柴油机是按混合加热循环进行工作的。Y 5.柴油机在船舶上得到广泛应用，主要是柴油机具有： A. 热效率高 B. 功率范围广 C. 可用劣质燃料油，经济性好 D.全部都是 6.柴油机的一个工作循环由______过程组成。 A. 二个 B. 三个 C. 四个 D. 五个 7.船舶交流电站多采用四冲程柴油机作原动机，主要是因为四冲程柴油机：A. 体积轻巧 B. 能满足交流发电机对转矩均匀性要求 C. 工作可靠 D. 能适应交流发电机需要 高速原动机驱动的工作要求 8.船舶交流主发电机组的原动机采用的是：A．汽油机 B．二冲程柴油机 C．四 冲程柴油机 D．以上三者都有 9.发电柴油机多用四冲程筒形活塞式柴油机主要是因为________.A．结构简单B．工 作可靠C．转速满足发电机要求D．单机功率大 10.关于柴油机下列说法中，最准确的是：A．柴油机是以柴油为燃料的热力发动机B．柴 油机是将燃料的热能转换为机械能的内燃机 C．柴油机是压燃式内燃机D．柴油机是一种两次能量转换都在气缸内进行的点燃内燃机 11.我国和大部分国家的气缸号的排号都采用从_____设置数起 A. 动力端 B. 自由端 C. 飞轮端 D. 人为设定 12.下列的热力发动机中，不属于内燃机的是： A．柴油机 B．燃气轮机C．汽轮机D．汽 油机 13.下列油中不能作柴油机的燃油的是： A．轻柴油 B．重柴油C．柴油机机油 D．重油 14.以下不是柴油机的优点的是_____。A．运转平稳柔和，噪音小 B．经济性好 C．机 动性好 D．功率范围广 15.在柴油机气缸中燃烧的是： A．柴油 B．燃烧产物 C．空气中的氧气D．燃油 与空气的可燃混合气 16.在热力发动机中，柴油机最本质的特征是： A．高压供油 B．内部燃烧C．压燃发 火 D．用柴油作燃料 17.在热力发动机中，柴油机最突出的优点是： A．热效率最高 B．功率最大 C．转速 最高 D．结构最简单 结构参数 18.柴油机的缸径是指： A. 活塞的外径 B. 气缸的内径 C. 活塞环的内径 D. 活塞 销外径 19.柴油机的压缩容积V c、气缸工作容积V h与气缸总容积V a三者的正确关系是______。 A．V c=V a+V h B．V h=V a+V c C．V a=V h-V c D．V a=V h+V c 20.柴油机的压缩容积是指： A．进气阀关闭时的气缸容积 B．活塞在下止点时的气缸 容积C．活塞在上止点时的气缸容积 D．活塞由上止点到下止点所经过的空间
、单项选择题 1．以下的热力发动机中，不属于内燃机的是（ ）。 （答案： C ） A.柴油机 B .燃气轮机 C .汽轮机 D .汽油机 2．在热力发动机中，柴油机最突出的优点是（ ）。 （ 答案： A ） A .热效率最高 B .功率最大 C .转速最高 D .结构最简单 3. （ ）不是柴油机的优点。 （答案： D ） A .经济性好 B .机动性好 C .功率范围广 D .运转平稳柔和，噪声小 4. 发电柴油机多用四冲程筒形活塞式柴油机主要是因为（ A .结构简单 B C .转速满足发电机要求 D 5. 四冲程柴油机完成一个工作循环曲轴转（ A . 1 B . 2 C . 3 D . 4 7. 中小型柴油机的机座结构形式大都采用（ ）。（ 答案： B ） A .分段铸造结构 B .整体铸造结构 C .钢板焊接结构 D .铸造焊接结构 8. 会导致柴油机机座产生变形的原因中，不正确的是（ ）。（答案： A ） A .曲轴轴线绕曲 B .船体变形 C .机座垫块安装不良 D .贯穿螺栓上紧不均 9. 下述四个柴油机部件中，不安装在机体上的部件是（ ）。（答案： A ） A .进、排气管 B .气缸套 C .凸轮轴 D .气缸盖 10. 柴油机贯穿螺栓上紧力矩不均匀度过大最易产生的不良后果是（ ）。（ 答案： B ） A .上紧力矩过大的螺栓会产生塑性伸长变形 B .会引起机座变形 C .会破坏机体上下平面的平行度 ）。 （答案： C ） .工作可靠 .单机功率大 ）周。 （ 答案： B ） 6.测量偏移和曲折的工具，在内河船舶中常采用（ ）。（答案： B ） A.百分表+塞尺 B .直尺+塞尺 C .百分表 D .专用量具
船舶动力装置
8101：3000KW 及以上船舶轮机长 3000 300 8102：750KW-3000KW 船舶轮机长 750KW750KW 3000 8103：未满 750KW 船舶轮机长 未满 适用对象 考试大纲 8101 1 船舶动力装置概述 1.1 船舶动力装置的组成、类型和发展 1.1.1 船舶动力装置的组成 1.1.2 船舶动力装置的类型 1.1.3 柴油机动力装置发展趋势及管理重心的变化 1.2 船舶动力装置的要求及性能指标 1.2.1 对船舶动力装置的要求 1.2.2 船舶动力装置的基本性能指标 1.3 船舶动力装置的可靠性 1.3.1 船舶的特殊性 1.3.2 可靠性在船舶动力装置中的应用 1.3.3 船舶各种机械的故障比例 1.4 保持和提高动力装置可靠性的途径 1.4.1 提高管理水平 1.4.2 提高维修质量 1.4.3 充分利用技术管理指导性文件 1.4.4 做好可靠性数据的收集和管理 1.5 船舶动力装置的余热利用 1.5.1 船舶动力装置的余热利用方案 1.5.2 船舶动力装置的效率 1.5.2.1 柴油机船舶动力装置的总效率 1.5.2.2 船舶能量利用效率 1.5.2.3 推进装置的推进效率 1.5.3 废气锅炉管理 1.5.3.1 典型废气锅炉系统 1.5.3.2 废气锅炉与柴油机的匹配， 锅炉窄点的影响， 允许的 废气压力损失 1.5.3.3 废气锅炉烟灰积垢与着火的分析及预防措施 2 柴油机动力装置主要零件的检修 2.1 气缸盖的检修 2.1.1 气缸盖裂纹的部位、产生原因、检验及修理 2.1.2 气缸盖气阀座面的检修 2.2 气缸套的检修 2.2.1 气缸套磨损的检修 2.2.2 气缸套裂纹的检修 2.2.3 拉缸的种类及拉缸的原因，防止拉缸的措施 2.3 柴油机吊缸检修 ● ● ● ◎ ◎ ◎ ○ ○ ○ ● ● ◎ ◎ ○ ○ ○ ● ● ○ ◎ ◎ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ ○ 8102 8103
第三章流体动力学基础 描述流体运动的两种方法： 拉格朗日法和欧拉法。除个别质点的运动问题外，都应用欧拉法。 拉格朗日法：是以个别质点为研究对象，观察该质点在空间的运动，然后将每个质点的运动情况汇总，得到整个流体的运动。质点的运动参数是起始坐标和时间变量t的连续函数。 欧拉法：是以整个流动空间为研究对象，观察不同时刻各空间点上流体质点的运动，然后将每个时刻的情况汇总起来，描述整个运动。空间点的物理量是空间坐标）和时间变量t的连续函数。 恒定流：各空间点上的运动参数都不随时间变化的流动。 非恒定流：各空间点上的运动参数随时间变化的流动。 一（二、三）元流：流体流动时各空间点上的运动参数是一（二、三）个空间坐标和时间变量的连续函数。 均匀流：流线是平行直线的流动。 非均匀流：流线不是平行直线的流动。 流线：表示某时刻流动方向的曲线，曲线上各质点的速度矢量都与该曲线相切。迹线：流体质点在一段时间内的运动轨迹。 流管：某时刻，在流场内任意做一封闭曲线，过曲线上各点做流线，所构成的管状曲面。 流束：充满流体的流管。 过流断面：与所有流线正交的横断面。 元流：过流断面无限小的流束，断面上各点的运动参数均相同。
总流：过流断面为有限大小的流束，断面上各点的运动参数不相同。流量：单位时间内通过某一过流断面的流体量。以体积计为体积流量，简称流量；以质量计为质量流量；以重量计为重量流量 非均匀渐变流：在非均匀流中流线近似于平行直线的流动。 水头线：总流或元流沿程能量变化的几何图示。 水力坡度：单位流程内的水头损失。 （简答）流线有哪些主要性质？流线和迹线有无重合的情况？答：流线性质：（1）在恒定流中，流线的形状和位置不随时间变化；（2）在同一时刻，一般情况下流线不能相交或转折。在恒定流中流线与迹线重合，非恒定流中一般情况下两者不重合，但当速度方向不随时间变化只是速度大小随时间变化时，两者仍重合。 试述流动分类：（1）根据运动参数是否随时间变化，分为恒定流和非恒定流；（2）根据运动参数与空间坐标的关系，分为一元流、二元流和三元流；（3）根据流线是否平行，分为均匀流和非均匀流。 不可压缩流体的连续性微分方程：不可压缩流体运动必须满足该方程。
《船舶动力装置》课程教学大纲 一、课程基本信息 1、课程代码：NA414 2、课程名称（中/英文）：船舶动力装置/Mrine Power Plant 3、学时/学分：51/3 4、先修课程：《工程热力学》《船舶主机》《船舶辅机》等 5、面向对象：船舶与海洋工程轮机方向。 6、开课院（系）、教研室：船舶海洋与建筑工程学院船舶动力装置及自动化研究所 7、教材、教学参考书： 《船舶动力装置》，徐筱欣主编，上海交通大学出版社，2007。 《船舶设计实用手册·轮机分册》，中国船舶工业总公司编，国防工业出版社，2002。 《船舶动力装置原理与设计》，国防工业出版社,朱树文，1980年9月 相关法规和船级社入级规范。 二、课程性质和任务 《船舶动力装置》是船舶与海洋工程专业动力装置及自动化（轮机）方向的核心专业课程。 通过该门课程的学习，期望学生能全面地了解船舶动力装置的基本组成、基本类型及特点、总体设计思想和技术发展；掌握推进轴系和传动装置的组成、结构原理及特性，轴系布置原理、计算和主要部件的设计方法；船-机-桨工况配合性能分
析；船舶动力装置的经济性分析；船舶主机选型步骤与方法；动力装置经济性分析以及设计的综合评估方法等。 本课程各教学环节对人才培养目标的贡献见下表。
三、教学内容和要求 《船舶动力装置》教学内容分为七部分，对不同的内容提出不同的教学要求。第一章绪论 1．1船舶动力装置的任务及组成 1．2船舶动力装置的评价指标 1．3船舶动力装置基本类型及特点 1．4船舶动力装置总体设计思路 要求：了解并熟悉船舶动力装置的任务及组成、评价指标和设计思路；基本掌握船舶动力装置评价指标的定义和影响因素、基本类型及特点。 第二章船舶推进轴系 2．1 推进轴系的功能、组成 2．2 轴系的布置原理和校中设计 2．3 轴系主要部件的结构原理、性能 2．4 船舶推进轴系的设计要点 要求：基本掌握推进轴系的功能、组成、轴系主要部件的结构原理和性能特点；牢固掌握轴系的布置方法及校中设计方法；掌握轴系的设计要点。 第三章轴系传动设备 3．1 船舶轴系传动装置的组成、功能 3．2 船用离合器工作原理及性能 3．3 船用齿轮箱 3．4 船用弹性联轴器 3．5 船用传动设备设计、选型要点 要求：了解并熟悉船舶传动装置的组成原理、功能；掌握各种传动设备的工作原理、参数、工作特性及设计、选型要点。 第四章机-桨-船工况配合特性分析 4．1 概述