敞水双舵水动力性能及计算分析

制流板舵的水动力性能分析与实船应用作者：欧礼坚马梓聪来源：《广东造船》2017年第04期摘要：研究开发性能优良的舵型，改善舵的水动力性能，对提高船舶操纵性十分重要。

对某28000DWT MPC轮设计了制流板舵，并采用CFD软件FLUENT分别计算了舵球舵、制流板舵的水动力性能系数，制流板舵的升力系数比舵球舵高约7.1%。

根据实船操纵性试验数据对比，在舵叶面积不变的情况下，采用制流板舵比普通舵球舵稳定回转直径减少大约4.3%。

制流板舵可有效地减少横向绕流，提高升力和舵效，改善船舶的操纵性能。

制流板舵结构简单且基本不增加舵机功率，因此非常适用于船舶的技术改造。

关键词：制流板舵；水动力性能；计算流体力学中图分类号：U667.9 文献标识码：AAnalysis on Hydrodynamic Performances of Swash Plate Rudder and Application in ShipOU Lijian1 ， MA Zicong2（1.South China University of Technology， Guangzhou 510640；2.Dalian University of Technology， Dalian 116024）Abstract： The maneuverability of a modern ship is guaranteed by rudders. A good performance rudder is very important for maneuverability of a ship. In this paper， a swash plate rudder is designed for a 28000DWT MPC， and the hydrodynamic performances of rudder-bubble rudder and swash plate rudder are researched based on CFD software FLUENT. The result shows that lift coefficient of swash plate rudder is about 7.1% higher than that of rudder-bubble rudder. The maneuverability trail shows that the stable turning diameter decreases about 4.3% when swash plate rudder is used. Swash plate can effectively decrease the cross flow and improve the lift， rudder effects and the maneuverability. Because swash plate rudder has a simple structure and almost no need to increase the power of actuator with the same rudder area， swash plate rudder can be widely used for ship technical transformation.Key words： Swash plate rudder； Hydrodynamic performance； CFD1 引言研究开发性能优良的舵型，改善舵的水动力性能，对提高船舶操纵性十分重要。

导管螺旋桨设计和水动力性能分析陈宁;赖海清【摘要】针对消拖两用船的综合舵桨系统,在综合舵桨动力传输系统结构设计基础上,对螺旋桨进行了设计研究,利用有限元方法分析了螺旋桨敞水工作时的推力、转矩、敞水效率以及桨叶的总压分布规律,并与实验值进行了对比,发现结论与理论分析结果吻合良好,从而初步形成了从最初的船型参数到预报螺旋桨敞水性能的整个综合舵桨的设计流程,具有一定参考价值.【期刊名称】《造船技术》【年(卷),期】2014(000)003【总页数】5页(P10-13,23)【关键词】导管螺旋桨;敞水效率;总压分布【作者】陈宁;赖海清【作者单位】江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003;江苏科技大学能源与动力工程学院,江苏镇江212003【正文语种】中文【中图分类】U662导管螺旋桨是一种特殊的推进器，我国已经对其进行了大量的模型实验和理论研究工作[1]。

它适用于载荷较大的船舶，如拖轮、顶推船等。

具有在海上航行时，受外界海况变化影响较小，导管对螺旋桨有保护作用，且导管能显著改善航向稳定性等优点。

因此，在需要运动自如的工程船舶上，导管螺旋桨常被开发成综合舵桨系统[2,3]用于工程船上。

导管螺旋桨在结构形式、外型和水动力性能等方面与常规螺旋桨都有较大的差别。

导管螺旋桨的设计，包括导管设计和螺旋桨设计两部分。

国内外常用于导管内的螺旋桨有B型和K型[4]。

B系列螺旋桨常用的是B4-55型，其叶梢较尖。

K型比B型应用广泛，均为宽叶梢，对空泡的敏感较B型小。

K型又分Ka、Kv、Kd等多种，其中以Ka型最为常用。

导管也有多种型号，以4号导管、5号导管、7号导管、19A号导管和37号导管应用得较多。

本文采用了图谱估算方法对综合舵桨系统的导管螺旋桨水动力性能进行计算和研究，并结合导管螺旋桨的敞水实验进行了验证。

广州鸿业拖船有限公司的2×2 500 kW消拖两用船技术规格书所提供的技术参数如表1所示。

襟翼舵的敞水及桨后水动力性能研究
郭春雨;杨晨俊;马宁
【期刊名称】《华中科技大学学报：自然科学版》
【年(卷),期】2008(36)11
【摘要】采用面元法对螺旋桨与襟翼舵相互干扰水动力性能进行计算,两者之间的相互干扰采用迭代处理.计算了敞水中襟翼舵与普通舵的法向力系数,并与试验值进
行了比较.敞水计算结果显示,与普通舵相比,襟翼舵的法向力系数有了较大的提高,同时襟翼舵的转舵比对于襟翼舵水动力性能的影响比较大.在敞水襟翼舵的基础上,计
算了螺旋桨与襟翼舵相互干扰的水动力性能.与敞水襟翼舵相比,桨后襟翼舵在相同
舵角的情况下,法向力系数增大,但增加的幅度不同.还计算了襟翼舵在转舵比为1/4、进速系数为0.5时襟翼舵某剖面在敞水及桨后的表面压力系数分布情况.
【总页数】4页(P108-111)
【关键词】船舶;螺旋桨;面元法;襟翼舵;桨舵干扰;水动力性能
【作者】郭春雨;杨晨俊;马宁
【作者单位】上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200030;哈尔滨工程大
学船舶工程学院,黑龙江哈尔滨150001
【正文语种】中文
【中图分类】U661.313
【相关文献】
1.桨后敞水舵及船和桨后舵上的压力和舵扭矩及操舵时船受的水压力... [J], Binek.,H;袁友银
2.桨后贝克舵的水动力性能研究 [J], 高德辈;依朋君;李杰;李丽
3.半悬挂舵的敞水水动力性能与舵力预估方法研究 [J], 林友红
4.带整流帽的半悬挂舵敞水水动力性能数值计算分析 [J], 李艳;龙进军
5.导管螺旋桨后襟翼舵水动力特性研究 [J], 张泽盛;沈国光
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CFD敞水螺旋桨性能计算分析缪宁跃;孙江龙【摘要】根据螺旋桨的投影原理及其型值参数,建立螺旋桨的三维模型.基于计算流体动力学(CFD)理论和CFD商业软件进行研究,采用分区混合网格力案和动网格技术及旋转坐标(MRF)方法,结合RANS方程和RNG湍流模型对螺旋桨三维粘性流动进行数值模拟,得到该螺旋桨的推力及其转矩.经与试验结果比较分析,证实该方法能实现对螺旋桨的敞水粘性流场模拟,预报其敞水性能.%According to projection theory and curved-surface offsets, a 3D geometry model of propeller was built. Based on computational fluid dynamics (CFD) method, the sub-domains hybrid meshes method,the dynamic meshes method and the moving reference frame(MRF) method were adopted to simulate the hydrodynamic performance of propeller in open-water by using the Reynolds-Averaged NavierStokes (RANS) equation and RNG turbulence models. Thrust and torque of the propeller in open water were obtained and compared with experimental results. The results show the proposed method can achieve the numerical prediction of hydrodynamic performance for propeller in open water.【期刊名称】《中国舰船研究》【年(卷),期】2011(006)005【总页数】6页(P63-68)【关键词】三维模型;CFD;动网格;MRF;敞水件能【作者】缪宁跃;孙江龙【作者单位】华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉430074;华中科技大学船舶与海洋工程学院,湖北武汉430074【正文语种】中文【中图分类】U664.331 引言由于数值模拟相对于实验研究具有独特的优点，如成本低、周期短，能获得完整的数据，能模拟出实际运行过程中各种测量数据的状态，因而目前计算流体动力学（CFD）技术被广泛应用于工程领域。

导管螺旋桨敞水性能数值计算方法研究吴湘荣;王永生;蒋超【摘要】为实现快速预报导管螺旋桨敞水性能曲线，利用 CFD流体计算软件对导管螺旋桨敞水试验进行数值模拟。

将计算结果绘制成的敞水性能曲线与实验结果进行比较，并对导管螺旋桨的敞水性能进行分析，验证数值模拟计算方法的可行性与准确性。

分析螺旋桨敞水工作时的推力、力矩及敞水效率的变化特点发现，随着进速的增大，导管产生的推力不断减小并在高航速下转化为阻力。

研究该导管桨在系泊工况下的敞水性能指标，对系泊工况边界条件的设置进行改进。

%In order to predict the open-water performance of ducted propeller quickly the CFD software was used to simulate the open-water experiment of ducted propeller. According to the results of calculation, the open-water performance curves were drawn and compared with the results of experiment. The open-water performance according to the results was analyzedand it's feasibility and accuracy were verified. The parameters of propeller in open-water is analyzed which including thrusttorque and open-water efficiency. The thrust of the duct decreased with the increase of the propeller’s velocity. And the performance index of the ducted propelled were researched when it worked at mooring conditions, and the method for setting the boundary condition at mooring conditions were studied.【期刊名称】《舰船科学技术》【年(卷),期】2016(038)006【总页数】5页(P42-46)【关键词】CFD;导管螺旋桨;定常计算;性能分析;系泊工况【作者】吴湘荣;王永生;蒋超【作者单位】海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033;海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033;海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033【正文语种】中文【中图分类】U664.33导管螺旋桨与普通螺旋桨的不同之处在于其桨的外围多了 1 个套筒，该套筒的纵剖面为机翼型或折角型［1］，此为导管螺旋桨的导管。

舵球对桨-舵组合系统水动力性能影响的研究赵陈;马瑶珠;张莹莹【摘要】针对某-MPV2200散货船的敞水试验桨和NACA66翼型舵,利用CFD软件对螺旋桨的敞水性能进行预报,计算结果与试验值的相对误差在6％以内,验证计算方法的可靠性.附加舵球结构,通过舵球直径和桨毂直径的比值(Db/Dh)变化,研究舵球直径对桨-舵-舵球系统的水动力性能的影响.计算结果表明,对于本桨-舵系统,Db/Dh=1.50时,舵球的节能效果最佳.该值和文献中给出的舵球最佳尺寸范围基本吻合,验证了该方法的有效性.随着进速系数J的变化,桨-舵-舵球系统与桨-舵系统的效率增幅也会发生变化,最大效率增幅可达到2.53％.这也为舵球的优化设计提供了参考.【期刊名称】《系统仿真技术》【年(卷),期】2019(015)002【总页数】5页(P126-130)【关键词】CFD;桨毂直径;桨-舵-舵球系统;水动力性能【作者】赵陈;马瑶珠;张莹莹【作者单位】浙江国际海运职业技术学院船舶工程学院,浙江舟山316021;浙江国际海运职业技术学院船舶工程学院,浙江舟山316021;浙江海洋大学船舶与机电工程学院,浙江舟山316022【正文语种】中文【中图分类】U661.33+6船舶节能减排一直是船舶工业发展的重要研究方向之一[1,2],舵球结构作为一种实用、简单的节能附加装置,其节能原理和节能效果已经被国内外很多学者研究和证明[3-4]。

对于不同的桨-舵组合,舵球的最佳节能尺寸并不是一定的[5-6]。

因此,对某船只进行二次节能改造,舵球几何参数设计需要在确定桨-舵组合下进行有限元数值模拟,以确定其最佳几何形状。

根据舵球节能原理,螺旋桨旋转时形成的环流,导致毂帽后产生低压区,通过在毂帽后极近区域布置舵球,可以补偿这一区域的流场能量损耗。

李鑫[6] 提出,舵球直径一般要大于桨毂直径,但是没有给出具体数值。

考虑到舵球的节能原理,本文使用舵球直径Db和桨毂直径Dh的比值变化,来研究舵球的节能效果。

99m敞口集散两用船的舵设计航行于内河A、B级航区的敞口集散两用船的舵设计对敞口集散两用船舵设备的受力进行了探讨用力学理论确定舵设备的主要要素。

1概述99m敞口集散两用船为钢质、纵横混合骨架式结构,普通前倾式船首、方尾、双尾船型。

中部货舱区域为单甲板、双底双舷。

其主甲板下设置纵向抗扭箱,主甲板、抗扭箱、双层底为纵骨架式,舷侧为横骨架式,首尾部船底为纵骨架式,其它区域为单底、单舷、横骨架式。

首尾设有升高甲板,机舱、起居室及驾驶室均设置在船尾,双机、双桨、双舵。

本船为柴油机驱动的敞口集散两用船,主要航行于内河A、B级航区,续航力100h。

可承运煤炭、砂石等散装货物,亦可装载6. 1m标准集装箱220只。

2主要量度总长99. 20m设计水线长96. 60m船长94. 30m型宽16. 00m型深7. 00m设计吃水 5. 20m总排水量7 260t方形系数0. 90设计航速18. 5km/h3舵参数选择舵是实现船舶操纵的主要设备,转动舵时,舵上产生的水动力在垂直于船体中心线方向上的分力相对于船体舯剖面形成转船力矩,起回转船舶的作用,置于零舵位时起稳定航向的作用。

性能优良的舵设备能满足船舶对操纵性的要求,能使舵装置与操舵装置的重量轻、成本低、功率消耗小,工作安全可靠,便于制造和维修。

根据本船船体尾部形状,以及本船主要航行于内河航区,对船舶操纵性的要求较高,所以设计时选用双桨、双舵,采用流线型双支承平衡舵,舵位于螺旋桨的正后方。

3. 1舵面积确定舵面积是影响船舶操纵性的主要因素之一。

考虑到本船尾部线型,应尽量增大舵面积,以减小大舵角时的回转直径,提高船舶的机动性。

本船船型和主要量度接近母型船,且已投入营运的母型船操纵性能较好,故取母型船的舵面积比μ0=3. 85%为舵面积比μ。

μ=μ0=2A / L·d×100% =3. 85%式中:L———船长,L=94. 30md———设计吃水,d=5. 20mA———单舵舵面积,m2故A=9. 45m2考虑本船尾部线型和吃水,实取舵高h=3. 50m,舵宽b=2. 70m。

定义舵效产生的原因BC L L F b ssL =∇=φ舵设备船舵和发展“深涉南海数万里，千万舵是远洋航行的三大要件史称“轩辕作舟，夏禹作舵”至迟到东汉我人民已发明船舵，广州东汉墓出土的陶船操舵器、舵角指示器、传动装置舵装置舵与船体的连接整体式1.按舵叶截面形状分streamlined rudder））multipintle rudder）partially underhung 3.按舵面积对转轴的分布分普通舵)rudder)unbalanced rudder)semi-balanced rudder）备襟翼舵2.襟翼舵3.转柱舵4.平旋推进器(VCR)5.Z形推进器舵的几何要素7.剖面形状面舵的水动力特性1.目的4.水动力关系式:P =ρA r V 2C /2P L 、P D 、P N 、P T M =P N ×x pMa =P N (x p -S)αS vP P P N MP OLDMa 5.水动力系数C = 2P/（ρV 2A r ）C L 、CD 、C N 、C T C M = C N ×C p几何相似的舵，在相同的流态中C L 、C D 、C p 相等TpbP x x影响(敞水)舵水动力特性的因素舵角与舵效射流V （水流强度）不变30°时，P（=V) 舵升力﹥阻力45°时，P（=V) 舵升力=阻力60°时，P（=V) 舵升力﹤阻力最佳舵效：一般平板舵在35度；流线型舵在32度影响(敞水)舵水动力特性的因素翼端绕流：攻角减小界层分离：叶背紊流影响舵水动力特性的因素影响舵水动力特性的因素λ＞1.8后,t对C般船舶λ在0.8左右,故影响较大;α＜θ时, C小;一般船舶,t=15～17%时,CT小λ翼的C设计内容与步骤舵、桨配合舵形式、数量选择、位置的确定剖面形状、厚度比、平衡系数的确定剖面形状、厚度比、平衡系数的确定敞水舵水动力特性计算敞水舵水动力特性计算计算舵压力及力矩实用算法敞水舵水动力特性计算敞水舵水动力特性计算舵压力及力矩实用算法敞水舵水动力特性计算舵压力及力矩实用算法舵柄处转舵需要的扭矩影响船后舵水动力的因素影响船后舵水动力的因素影响船后舵水动力的因素影响船后舵水动力的因素影响船后舵水动力的因素水动力计算表格舵机功率估算舵之构造舵杆强度理论计算舵杆强度理论计算M M1.控制系统传动器、受动器（传递和接受高压油的油缸、活塞、阀件）舵角指示器（舵角限位器（限制舵叶最大转角）2.转舵装置舵柄舵扇3.动力装置人力舵机电动舵机电动液压舵机二）液压操舵装置（hydraulic steering gear）电动机、油泵、管路、转舵机械。

第1篇一、实验目的和意义本次船舶敞水实验旨在通过在循环水槽中对船舶模型进行单独的水流条件下的性能试验，达到以下目的：1. 配合自航试验，分析船舶推进的各种效率成分，并预估实船推进性能。

2. 分析比较各种船舶设计方案的优劣，选择性能最佳的船舶设计。

3. 进行船舶系列试验，将其结果综合绘制成图谱，供船舶设计使用。

4. 根据船舶试验结果，验证船舶理论，分析几何参数对船舶性能的影响规律。

二、实验原理与背景船舶敞水实验是船舶推进领域的重要实验之一，通过对船舶模型在循环水槽中的敞水试验，可以获取船舶在不同工况下的推进性能数据。

实验原理基于流体力学和船舶推进理论，主要包括以下几个方面：1. 相似定理：桨模和实桨满足几何相似、运动相似、动力相似，才能将模型试验数据应用于实桨。

2. 雷诺数：桨模试验的雷诺数必须超过临界值，以保证实验数据的可靠性。

3. 浸没深度：为了避免自由面兴波和吸入空气对桨性能产生不利影响，桨模进行敞水试验时，其浸没与水中的深度应满足一定条件。

三、实验设备与仪器本次实验使用的设备与仪器如下：1. 循环水槽：用于模拟船舶在水中的运动。

2. 螺旋桨模型：用于模拟实船推进系统。

3. 数据采集系统：用于采集实验数据。

4. 测速仪：用于测量螺旋桨转速。

5. 力传感器：用于测量螺旋桨受到的推力。

6. 计时器：用于测量船舶模型在水中的运动时间。

四、实验步骤与数据采集1. 实验准备：首先对实验设备进行检查，确保其正常工作。

然后，将螺旋桨模型安装在船舶模型上，调整螺旋桨的安装角度和浸没深度。

2. 实验开始：启动循环水槽，调整螺旋桨转速，使船舶模型在水槽中稳定运行。

3. 数据采集：使用数据采集系统实时采集螺旋桨转速、推力、船舶模型速度等数据。

4. 实验结束：关闭循环水槽，整理实验数据。

五、实验结果与分析1. 螺旋桨转速与推力关系：通过实验数据，可以得到螺旋桨转速与推力的关系曲线。

根据曲线，可以分析螺旋桨在不同转速下的推进性能。

敞水舵水动力数值计算及分析
敞水舵水动力数值计算及分析如下：
敞水舵水动力数值计算及分析是水动力学领域的一个重要研究方向，以提高船舶高效操纵和防滑性能为目的。

它不仅要求对流体流场及舵头的阻力分析，而且要考虑船舶在不同舵头和速度下的操纵性能。

数值模拟是以适当的数值方法来研究敞水舵水动力特性，确定舵头面积下旋度-力矩-阻力系数之间的关系，真实模拟船舶在不同舵头和速度下的操纵性能，为优化敞水舵的设计及改善船舶高效操纵和防滑性能提供了基础。

数值模拟的关键在于选取合适的数值方法，采用有限卷积-有限差分方法能比较准确地由计算结果揭示流动结构，为实验和理论研究提供基础数据，可以准确地反映船舶在操纵吃水状态下的操纵性能。

针对斜角舵头，采用一维层流法对攻角和力矩曲线进行了研究，同时通过改进的谱函数法，根据不同攻角和舵头角度的变化来模拟实验结果，为分析斜角舵的水动力特性提供很好的指引。

因此，数值模拟可以有效地研究敞水舵水动力性能，实现船舶高效操纵性能。

船模与渔具水动力实验室桨模敞水试验报告姓名：专业：班级：所属课程：试验日期：同组者：年月日船模与渔具水动力实验室螺旋桨模型基本信息模型浆编号：形式：直径D(mm)：螺距比P/D：盘面比Ae/Ao：叶数Z：叶厚比：毂径比：后倾角：最大叶宽比：旋向：一、螺旋桨敞水性特征计算表模型编号__________________________模型直径D__________________________叶厚分数t0/D__________________________水温__________________________ 试验编号__________________________盘面比A e/A o ________________________毂径比d b/D ___________________________ 密度ρ________________________ 比例尺λ__________________________ 螺距比P/D _________________________叶数Z____________________________日期___________________________螺旋桨雷诺数计算公式：1、曾用公式：Re=nD2/v或者V p D/v 2、1978年ITTC规定公式：Re＝{b0.75R[V p2+(0.75πnD)2]1/2}/v螺旋桨敞水性能无因次系数：1、进速系数：J p＝V p/nD 2、推力系数：K T=T/ρn2D43、扭矩系数：K Q=Q/ρn2D54、敞水效率：η0＝K T J P/K Q2π二、螺旋桨敞水性特征曲线0.10.30.20.50.60.4 1.00.80.90.70.10.20.30.60.50.40.70.80.91.0KT10K Qη三、试验结果的分析、讨论四、教师评阅成绩: 签名:。