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喷水推进器在船舶动力系统中的应用及发展趋势引言：喷水推进器（Waterjet Propulsion System）是一种采用喷水原理产生推力的船舶动力系统，它在船舶工程领域具有重要的应用价值。
本文将探讨喷水推进器在船舶动力系统中的应用情况，并对其未来的发展趋势进行展望。
一、喷水推进器的应用1. 船舶操纵性能优势：喷水推进器在船舶操纵性能方面具有显著优势。
相比于传统的螺旋桨推进系统，喷水推进器通过喷射水流产生推力，使得船舶的操纵更加高效灵活。
它可以实现前后推力、横向推力和旋转推力的快速调整，从而提高船舶的转向灵活性和操纵性能。
2. 提高船舶速度：喷水推进器能够显著提高船舶的速度。
在喷水推进器中，水流由高压泵加速喷射出来，在与船舶相遇时形成强大的反作用力。
这可以有效减少船舶与水之间的阻力，并提高船舶的航行速度。
对于需要长时间保持高速航行的船舶，喷水推进器可以带来明显的优势。
3. 适应浅水航行：由于喷水推进器将水流推出，而不是将螺旋桨推入水中，因此它对于航行在浅水区域的船舶非常适用。
螺旋桨通常会在浅水区域产生涡流，导致船舶受阻。
相比之下，喷水推进器产生的推力不会受到水深的限制，因此在浅水区域具有明显的优势。
二、喷水推进器的发展趋势1. 提高推进效率：目前，喷水推进器在推进效率方面仍有改进空间。
未来的发展趋势将面向提高推进效率，减少能源消耗。
采用新的设计和技术，如优化喷嘴形状、改进传动装置、减小水流湍流损失等，可以进一步提高喷水推进器的效率，并降低船舶的燃料消耗。
2. 引入电动驱动：随着电动船舶的兴起，喷水推进器也将逐渐引入电动驱动系统。
传统喷水推进器采用柴油发动机来提供动力，但它们存在噪音和尾气排放等问题。
而电动推进系统具有零排放、低噪音和高效能的特点，与喷水推进器的结合将大大提升船舶的环保性能。
3. 智能化控制：随着船舶自动化技术的不断发展，喷水推进器也将趋向智能化和自动化。
智能化控制系统可以实现船舶的自动操纵、动力平衡和性能优化，提高航行的安全性和舒适性。
新型船舶推进技术——水中喷气推进系统近年来，随着科技的不断发展和航运行业的不断发展，人们对于新型船舶推进技术的需求也越来越高，船舶的推进系统更是成为了研究的重点。
水中喷气推进系统是当前比较先进的推进系统之一，它不仅具有很高的附加值和运输效率，还可以有效地降低环境污染，受到越来越多的航运公司的青睐。
水中喷气推进系统是一种通过将水压进特殊的排气管中产生喷气推进力，从而推动船舶前进的推进系统。
喷气推进系统的核心部件主要由一个发动机、一个涡轮机和喷气管组成。
相比传统的推进系统，水中喷气推进系统有以下优越性：1.提高船舶的运输效率在海上航行时，水中喷气推进系统可以将水压入排气管中，通过涡轮机抽取出多余的水分子，最终将水靠喷气排出并推动船舶前进。
相比传统的推进系统，水中喷气推进系统的推进效率更高。
由于水中喷气推进系统的推进器不会受到水流的阻力，船速更高且行驶更稳定。
这也就意味着船舶的运输效率将得到极大提高。
2.减少环境污染相比传统的推进系统，水中喷气推进系统在运输时不会排放大量的废气和废水，也就意味着它是一种更为环保的船舶推进系统。
同时，水中喷气推进系统还可以避免因为船舶鬼泣产生的噪声和震颤可能对海洋生态和鱼群造成的危害。
这种“绿色船舶”的理念正是现代航运行业所秉承的。
3.更强的安全性能水中喷气推进系统在狭窄的水域、强风浪和其他船舶碰撞时能够快速反应，缓解船舶操纵困难的情况。
同时，它的排气管可以避免水中产生的射流，使得船体没有旋转表面，减少了卡在水下物体上的可能性。
这就保证了船舶在行驶过程中的稳定性和安全性能。
4.更节省维护成本相比传统的推进系统，水中喷气推进系统的故障率低，维护成本较低，使用寿命也较长。
由于水中喷气推进系统不需要安装复杂的传动系统，所以可以降低维护工作中的人工成本。
同时，由于喷气推进系统所需要的维护和修理比传统推进系统要少得多，这就使得用户能够更快地回收其投资成本。
总的来说，水中喷气推进系统是一种先进的船舶推进系统，不仅可以提高船舶的运输效率，还可以减少环境污染，提高船舶的安全性能，并且节约了维护成本。
船舶推进系统的动力学建模与性能研究引言大海上的船舶推进系统是船舶能源利用的关键组成部分，对船舶的性能和效能有着重要影响。
船舶推进系统的动力学建模和性能研究是为了提高船舶的航行效率、降低油耗和减少环境污染而进行的重要工作。
本文将探讨船舶推进系统的动力学建模和性能研究的相关内容。
1. 船舶推进系统简介船舶推进系统主要由发动机、传动系统和推进器构成。
发动机负责产生推进力，传动系统将发动机的动力传递给推进器，推进器则将动力转化为船舶的推进力，推动船舶前进。
船舶推进系统的设计和优化是为了提高航行速度、减少油耗和降低船舶运营成本。
2. 船舶推进系统的动力学建模船舶推进系统的动力学建模是为了模拟和分析系统的运行特性、系统参数之间的关系以及系统的响应。
动力学建模可以通过数学模型来描述船舶推进系统的行为，并通过实验数据进行参数校准和验证。
2.1 发动机动力学建模发动机是船舶推进系统的核心部件，其动力学建模是系统级建模的基础。
发动机动力学建模主要包括燃烧过程建模、燃料系统建模和机械系统建模。
燃烧过程建模可以通过考虑燃油供应、点火过程和燃气流动等因素，描述燃烧过程的动态特性。
燃油系统建模可以通过建立燃油供给系统的传递函数，研究燃料供给的动态响应和稳态特性。
机械系统建模主要将发动机输出轴的扭矩和转速作为输入，通过建立传递函数描述发动机的机械传动特性。
2.2 传动系统动力学建模传动系统是船舶推进系统的能量传输和转化装置，其动力学建模能够描述传动过程中的能量损耗和转化效率。
传动系统动力学建模主要包括船舶传动系统的传递函数建模和传动效率建模。
传递函数建模可以通过分析传动系统的力学特性和摩擦特性，建立输入和输出之间的传递函数关系。
传动效率建模则可以通过实验数据分析和数学建模，研究传动系统的能量损耗和转化效率，以优化传动系统的设计。
2.3 推进器动力学建模推进器是将发动机输出的动力转化为船舶的推进力的设备，其动力学建模能够描述推进器的推力特性和动态响应。
船舶推进系统的设计与优化船舶推进系统是船舶工程中的重要组成部分，直接关系到船舶的速度、效率和能耗。
设计和优化一个高效且可靠的船舶推进系统对于提高航行效率、减少能源消耗至关重要。
本文将探讨船舶推进系统的设计理念、优化方法和未来的发展方向。
一、船舶推进系统设计理念在设计船舶推进系统时，需要考虑船舶的工作原理和航行任务。
船舶的推进系统应该能够提供足够的推力，使船舶达到预定的速度和航行效率。
同时，还需要考虑船舶的机动性、安全性和环保性。
1. 推进力的选择推进力的选择应根据船舶的性能要求和运营环境来确定。
常见的推进力类型包括螺旋桨推进力、舵推力和喷水推进力等。
选择合适的推进力类型需要考虑船舶的尺寸、航行速度、水动力特性以及航行环境等因素。
2. 动力装置的匹配动力装置的选择应该与推进系统相匹配，以实现最佳的功率转化效率。
在设计船舶推进系统时，需要考虑动力装置的功率、转速和燃料类型等因素。
同时，动力装置还应符合环保要求，降低废气排放和噪音污染。
二、船舶推进系统的优化方法为了提高船舶推进系统的效率和性能，可以采用以下优化方法：1. 涡流分析通过涡流分析技术可以研究水流在推进系统中的流动情况，优化螺旋桨的设计。
涡流分析可以减小流体的阻力，提高船舶的速度和效率。
2. 燃油优化优化燃油的使用可以降低船舶的能源消耗，减少碳排放。
可以通过改进燃烧系统、提高燃油的燃烧效率，或者采用更加清洁的燃料替代传统燃油。
3. 自动控制系统采用自动控制系统可以提高船舶的航行稳定性和推进系统的效率。
自动控制系统可以根据船舶的航行状态和运营环境自动调整推进力和动力输出，实现最佳的船舶性能和能源利用效率。
三、船舶推进系统的未来发展方向随着科技的不断进步和创新，船舶推进系统也将面临新的发展方向。
1. 新材料的应用新材料的应用可以提高船舶推进系统的轻量化和耐用性。
例如，采用碳纤维复合材料可以减轻船舶的自重，提高推进效率；使用耐腐蚀材料可以提高推进系统的寿命和可靠性。
船舶推进系统的流体动力学特性分析在广阔的海洋和江河湖泊上，船舶作为重要的交通工具和运输工具，其性能的优劣直接关系到航行的效率、安全性以及经济性。
而船舶推进系统作为船舶的核心组件之一，对于船舶的运行起着至关重要的作用。
其中，流体动力学特性是理解和优化船舶推进系统性能的关键因素。
船舶推进系统的类型多种多样，常见的有螺旋桨推进、喷水推进、吊舱推进等。
不同的推进系统在工作原理和流体动力学特性上存在显著差异。
螺旋桨推进是目前应用最为广泛的船舶推进方式之一。
螺旋桨在旋转时，通过桨叶与水流的相互作用产生推力。
从流体动力学的角度来看，螺旋桨的叶片形状、螺距、直径以及旋转速度等参数都会对其性能产生影响。
叶片形状的设计直接关系到水流的流动状态和能量转换效率。
合适的螺距能够确保在不同的转速和负载条件下，螺旋桨都能有效地将旋转动力转化为推力。
螺旋桨的直径越大，通常能够产生更大的推力，但同时也会增加阻力和转动惯量。
喷水推进系统则是通过将水吸入并加速后向后喷出，从而产生推力。
这种推进方式的优点在于减少了水下部件的阻力，提高了船舶的机动性。
在流体动力学方面，喷水推进系统的进口形状、管道设计以及喷口的形状和角度等都对其性能有着重要影响。
优化进口形状可以减小水流的扰动和阻力，良好的管道设计能够减少能量损失，而合适的喷口形状和角度能够使喷出的水流具有更高的速度和更好的方向性，从而提高推力效率。
吊舱推进系统是一种较为新颖的推进方式，将推进电机置于吊舱内，可实现全方位的转动。
从流体动力学角度分析，吊舱的形状、位置以及与船体的结合方式都会影响水流的流动和推力的产生。
合理的吊舱形状能够降低阻力，合适的位置和结合方式可以减少干扰和能量损失，提高整体推进效率。
在分析船舶推进系统的流体动力学特性时，不可忽略的是水流的速度和方向。
水流速度的变化会直接影响推进系统的工作效率和推力大小。
例如，在逆流情况下，船舶需要克服更大的阻力，推进系统需要产生更强的推力才能保持相同的航速。
船舶推进系统的流体力学特性船舶推进系统是船舶能够在水中航行的关键所在，而其中的流体力学特性则起着至关重要的作用。
要理解船舶推进系统的工作原理和性能，就必须深入探究其背后的流体力学知识。
流体力学是研究流体（包括液体和气体）运动规律以及流体与固体之间相互作用的科学。
在船舶领域，水作为常见的流体介质，其流动特性直接影响着船舶推进系统的效率和性能。
船舶推进系统主要有螺旋桨推进、喷水推进、吊舱推进等几种常见的类型。
无论哪种类型，都离不开流体力学的原理。
以螺旋桨推进为例，螺旋桨在旋转时，桨叶会对水产生作用力，同时水也会对桨叶产生反作用力，从而推动船舶前进。
这其中涉及到复杂的流体流动现象。
螺旋桨桨叶的形状和角度设计是基于流体力学原理进行优化的。
合理的桨叶形状能够有效地将旋转动力转化为向前的推力。
桨叶的剖面形状通常类似于机翼，利用伯努利原理，在桨叶旋转时，产生压力差，从而产生推力。
在流体力学中，粘性是一个重要的特性。
水具有一定的粘性，这会导致在螺旋桨表面形成边界层。
边界层的存在会增加阻力，降低推进效率。
为了减少粘性的影响，螺旋桨的表面通常会进行光滑处理，以减小摩擦阻力。
螺旋桨在旋转时还会产生尾流。
尾流中的水流速度和压力分布不均匀，会造成能量的损失。
优化螺旋桨的设计可以减少尾流的能量损失，提高推进效率。
除了螺旋桨推进，喷水推进系统也有其独特的流体力学特性。
喷水推进是通过泵将水吸入并加速向后喷出，从而产生推力。
在喷水推进系统中，泵的设计和内部流道的形状对推进性能有着重要影响。
良好的泵设计能够提高水的吸入和排出效率，减少能量损失。
喷水推进系统中的水流速度较高，这就需要考虑水流的湍流和空化现象。
湍流会增加能量损耗，而空化则可能对泵和管道造成损坏。
因此，在设计喷水推进系统时，需要通过流体力学分析来避免或减轻这些不利影响。
吊舱推进系统是一种较为新颖的推进方式，它将电机和螺旋桨集成在一个可旋转的吊舱内。
这种推进系统的流体力学特性更为复杂。
1 前言“船体-推进器-主机”匹配研究是用于分析船体（航速）、推进器（负载）、主机（运行范围）三者间的关系。
匹配的内涵主要是研究和调整船体、推进器、主机三者间的关系，使其推进特性满足系统设计要求。
但从具体表现看，主要反映了主机的工作范围与推进器的负载特性间的相互关系的调整，推进器的负载则与船体航速、船体与推进器的相互作用有关，通常将其可分为主机-推进器，推进器-船体两个分系统进行研究。
国内外主要的推进器包括了桨与喷水推进系统，通过采用方式的不同又分为调距桨、定距桨、管道桨、吊舱、全回转、喷水推进器、泵喷、及新式的吊舱式喷推等。
其中船体-推进器的匹配主要集中在船体-推进器的相互作用方面。
通常采用船体效率来反映。
船体效率定义为11H t w h 骣-÷ç=÷ç÷ç桫- ，其中t 定义为推力减额分数，w 定义为伴流分数。
推力减额分数及伴流分数可通过自航试验获得的。
随着现代数值仿真技术的发展，也有部分学者采用CFD 方法来模拟自航试验，用来反映推进器和船体间的相互作用。
就推力减额而言，对于不同的推进器，推力减额是不同的。
当推进器为常规的螺旋桨时，螺旋桨在船后的抽吸作用增加了船艉的水流速度，从而降低船艉部区域压力，使船体压阻力增加，推力减额分数一般为正值，即(1-t)始终小于1。
与螺旋桨船不同的是，喷水推进器工作时经流道从船底吸水，水流经泵加速后从喷口高速喷出。
进入流道的水流改变船体流场，作用于流道的力及对船体产生的力矩影响船体航态。
当高速时，吸水口破坏了船体表面的边界层，降低了船体的摩擦阻力，因此有可能导致推力减额t 为负值，即（1-t ）大于1，从而提高了船体的效率。
也有学者研究认为流体作用于进水流道的力抬升了船艉并减小船体纵倾是喷水推进船推力减额为负值的主要原因。
负推力减额分数是喷水推进器制造商及船舶设计者所追求的，意味着船体—喷水推进适当组合可减小船体阻力，提高推进效率。
国外相关研究表明齐平式进口喷水推进船推力减额分数可在-6％~20％之间变动。
喷水推进器与船体的相互作用主要依靠自航试验确定。
第21届ITTC 非常规推进委员会推荐了喷水推进船模自航试验规程，第22届至24届委员会不断完善喷水推进自航试验技术。
国内喷水推进研究起步较晚，目前尚没有喷水推进台架试验平台，也无喷水推进船模自航试验统一标准与规范，所以国内大多喷水推进船的快速性计算还依靠国外完成。
2 船体与喷水推进系统匹配的理论研究2.1 船体与喷水推进系统的相互作用理论研究喷水推进器与船体集成度高，两者的相互作用规律较螺旋桨复杂。
喷水推进对船体的影响主要分为三个方面：①因安装需要，船底被除去流道进水口面积，流道从船底边界层内部抽吸水流。
与裸船相比，船底的流动状态被改变。
②流体作用于喷水推进器的力及产生的力矩会影响航态。
③射流与船艉板的自由液面发生混合，间接或直接影响船体受力。
依据动量定理，控制体动量的变化等于作用在控制体上的外力之和。
按图1所示，喷水推进器在i 方向的动量控制方程为：1612363516()i k k i pi i A A A A A A V V u u n dA dA F dV FdA r s r r --++++=++蝌蝌蝌蝌?(0.1)其中i ij j A A dA n dA s s =蝌蝌，ij s 表示整个的平均应力，等于ij ij p δτ-+ 。
式中方程左边表示控制体在i 方向的动量变化ΔM i ；右边第一项为作用在控制体界面（A 1、A 2、A 3、A 6）上的压力和剪切力；右边第二项为喷泵的体积力，右边第三项为重力在i 方向的分量。
喷水推进器产生的推力通过叶轮及流道部件传递给船体，右边三项在z 方向的合力会影响船体的吃水，对y 轴的力矩影响船体的纵倾角。
图1 ITTC 定义的测量位置当船艉向船艏方向为x 方向是，x 方向的重力作用项为0，动量控制方程（1.1）可简化为：16123635()x k k x px A A A A A A V u u n dA dA F dV r s r -++++=+蝌蝌蝌?(0.2) 净推力T net 定义为喷水推进器作用在物理边界A 3和A 4及泵体V 3-5上并传递到船体的推力：3435net x px A A V T dA F dV s r -+=+蝌蝌?(0.3) 推力减额t公式1.2与1.3的差别在于是否考虑虚拟边界1、6、2。
可理解为由于射流效应产生的船体阻力的变化，由此产生的差异由动量减额分数t j 表示，则可得出： 16(1)()(1)j x k k x j net A A t u u n dA M t T r +-=D -=蝌(0.4)与螺旋桨的推力减额类似，由于喷水推进在船后工作引起船体的附加阻力ΔR 为称为阻力增额。
阻力增额与净推力的比值成为增额分数t ：()//net BH net net t T R T R T =-=D(0.5) 根据公式1.5可以得到船体阻力R BH （未加喷推系统）与喷水推进净推力T net 间的关系为：(1)BH net R t T =-(0.6)推力减额分数t 的大小与船型及喷水推进系统与船体间相互作用等因素有关。
用理论方法难以计算推力减额, 通常根据船模自航试验或数值仿真进行计算。
伴流分数w船在水中以某一航速Vs 向前航行时, 附近的水受到船体的影响而产生运动,周围伴随着一股水流, 这股水流称为伴流或迹流。
由于伴流的存在, 使喷水推进系统的入流速度和船速不同。
伴流的速度与船速同方向称为正伴流, 反之则为负伴流。
产生伴流的原因有下列三种:1. 船身周围的流线运动船在水中以速度Vs 向前航行时，船艏、船艉处的水流具有向前速度, 即产生正伴流, 而在舷侧处水流具有向后速度, 故为负伴流。
由此而形成的伴流称为形势伴流或势伴流。
因流线离船身不远处即迅速分散, 故在离船体略远处其作用即不甚显著, 亦即离船体愈远, 形势伴流之数值愈小。
2. 水的粘性作用因水具有粘性, 故当船在运动时沿船体表面形成边界层, 边界层内水质点具有向前的速度, 形成正伴流, 通常称为摩擦伴流。
摩擦伴流在紧靠船身处最大, 由船身向外急剧减小, 离船体不远处即迅速消失, 但在船后相当距离处摩擦伴流依然存在。
摩擦伴流常为总伴流中的主要部分。
摩擦伴流的大小与船型、表面粗糙度、雷诺数等有关。
3. 船舶的兴波作用船在航行时水面形成波浪, 若推进器附近恰为波峰, 则水质点具有向前速度; 如恰为波谷,则具有向后速度。
由于船舶本身兴波作用而形成的伴流称为波浪伴流, 其数值常较前两者为小值。
伴流分数w 定义为半流速度u 与航速Vs 的比值，即uw Vs = 。
与螺旋桨船不同，由于螺旋桨船中，螺旋桨通常安装在船艉，所以具有三种伴流效应；而对于喷水推进系统，入水口发生在船底，所以伴流效应发生在船底区域，因此兴波伴流和形势伴流均可予以忽略，摩擦伴流为主要的伴流效应。
依据实践经验，伴流效应速度场测量一般在位于图1中的1a 位置（早期推荐在1处），捕捉区域推荐椭圆形，但从实践的结果看，捕捉区域的形状对结果的影响很小。
2.2 主机-喷水推进系统的匹配特性船体-喷水推进系统的匹配最终反映航速与喷推系统的推力及扭矩的关系。
而推力与扭矩的变化反映了喷推系统-主机的匹配特性。
为研究喷水推进系统与主机间的稳态和动态特性，先建立数学模型。
当不考虑齿轮，在主机与喷水推进系统直连的条件下，推进系统中的机-泵分系统转动动力学方程为： e i p d M M M J dt ω--=(0.7) 式中：M e 为主机力矩，M i 为轴系及传动装置的摩擦力矩，M p 为喷水推进器的力矩，ω为角速度。
推进系统的泵-船分系统的力学平衡方程为： sdV iT R R m dt --∆= (0.8)其中T 为喷水推进器的推力，定义为1(,)s T f n V =；i 为喷泵的台数，R 为直航时的船体阻力,2()s R f V =;△R 为拖泵阻力3()s R f V ∆=（类似于螺旋桨，但DOEN 公司实践后反馈基本不存在）；m 为船体及喷泵内部的水质量，Vs 为航速。
喷水推进泵的转速变化的动态过程由公式1.8确定，其中M p 为影响主要因素，同时还影响着航速变化的动态过程。
M p 及喷水推进器吸收功率N p 的动力特性，即他们与转速的关系及航速对这些关系的影响，可作为喷水推进系统稳态特性和动态特性研究中的重要内容，同时也是喷水推进系统“船-机-泵”有别于“船-机-桨”匹配的切入点。
喷水推进器的本质作为一个泵，通过吸水口与管道吸入水流，并将主机机械能通过叶轮转化为水流的机械能（动能、压能和势能的总和）。
喷水推进器的吸收功率N p 与叶轮转速n 间的关系类似于泵的相似定律，可定义为：3p N Cn =(0.9)式中C 为功率系数，表示泵在叶轮转速等于1r/min 时吸收的功率（kW ）。
喷水推进器作为泵，泵的转速与航速不直接发生联系，即说明在不同航速时，在恒定的转速n 时，喷水推进器吸收功率基本不变，表明n 不受Vs 的影响，喷水推进器的功率特性唯一。
图2为Kamewa71SII 喷水推进器的速度特性，描述了在等功率条件时，航速与泵转速的对应关系。
同时，也可将其看成不同航速时，喷水推进器在不同转速时所吸收的主机功率。
由于功率可以采用e P p P M N ω=⋅= 来进行表示。
所以可将图2转化为类似于螺旋桨的喷水推进器力矩与航速间的关系（如图3）。
该特性表示不同航速时在等功率条件下喷水推进器叶轮所应克服的力矩。
另外，如果我们采用如螺旋桨扭矩系数K Q 的定义可以发现，喷水推进系统的扭矩系数K Qwj 可计算为： 325252553030p p Qwj M N Cn C K n D n D n D n D ρρωρπρπ==== (0.10) 从喷推的扭矩系数结果看，由于D 为常数，C 可近似为常数，所以当转速n 恒定时，扭矩系数随航速Vs ，即进速系数V J nD= 的变化量很小。
从图3可以看出，在喷水推进器功率为定值时，其力矩在整个航速范围内近似于一个常值。
这与螺旋桨推进系统相应特性形成了鲜明对照。
在排水型船螺旋桨推进系统中，等功率条件下螺旋桨力矩随航速的增高而减小的变化幅度很大即变化率很大。
这说明螺旋桨推进的船舶，螺旋桨力矩(主机应提供的驱动力矩)受航速影响很大；而喷水推进的船舶，喷水推进器力矩(同时也是主机应提供的驱动力矩)受航速影响很小。
这种差异的原因在于：螺旋桨的工作特性受来流影响极大，进速系数V J nD=间接反映了螺旋桨的来流攻角，这种攻角的变化，对螺旋桨桨叶的升力与阻力造成明显的影响，进而影响到螺旋桨的推力、阻力矩的大小。
