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导流鳍-舵球对船舶快速性及激振力影响研究

摘要

为了满足国际规范的低碳排放要求，远洋运输船舶逐渐向肥大化、低速化发展，这

一发展趋势为船舶设计和研发带来了新的难题和挑战。节能附体的效果评估大多基于拖

曳水池船模试验研究开展，基于现有外推方法的带节能附体船舶快速性和节能效果预报

结果往往与实船真实情况差异较大。导流鳍-舵球组合作为最经典的节能装置应用形式，

具有广泛的技术应用前景，但目前国际上仍未建立起带导流鳍-舵球船舶的快速性高精

度预报方法。另外，在愈发注重海洋环境和生物亲和性的当下，节能与减振降噪的协同

研究同样备受关注。本文基于跨尺度船模试验研究掌握了肥大低速型船舶阻力及推进性

能的尺度效应规律以及导流鳍-舵球对阻力和关键推进因子的影响规律，提出了适用于

带导流鳍-舵球船舶的快速性和节能效果预报方法。开展多尺度船舶绕流场计算和实尺

度自航计算，剖析了导流鳍-舵球的节能效果尺度效应产生机理以及对激振力的影响机

理和潜在减振降噪收益。论文主要内容如下：

开展跨尺度模型快速性测试与分析技术研究，解决螺旋桨轴向周向应变同步测量难

题，研发可搭载在大尺度船模的水动力性能综合测试系统，明确实海域大尺度船模阻力

试验和自航试验方案及流程，并形成相应的数据处理与分析方法，进行拖曳水池中和实

海域中的跨尺度船模快速性试验并分析测试结果的不确定度；

开展无附体船模阻力与推进特性尺度效应分析，探究摩擦阻力经验公式与总阻力外

推公式的适用性，分析船舶摩擦阻力、剩余阻力、兴波阻力、粘压阻力等多种阻力成分

的尺度效应规律。对比分析不同尺度模型在推进特性上的差异，获悉伴流分数、推力减

额、相对旋转效率等关键自航因子的变化规律并提出相应的尺度效应修正措施；

开展导流鳍-舵球对船舶快速性影响及预报分析，探究带导流鳍-舵球跨尺度船模在

阻力及推进特性上的尺度差异，系统性分析导流鳍-舵球对各种推进因子（收到功率、

推进效率、螺旋桨效率、推力减额、相对旋转效率、伴流分数）的影响规律并提出相应

的补贴修正建议，建立基于跨尺度模型试验的船舶性能预报方法，实现带导流鳍-舵球

实船的性能与节能效果预报；

开展船尾绕流场尺度效应数值分析，采用计算流体力学方法在多尺度开展带与不带

导流鳍-舵球的船体绕流场数值模拟，从船尾流动分布和桨盘面伴流分布等角度剖析导

流鳍-舵球的节能效果尺度差异机理。计算伴流分数特征和流场谐调性，分析导流鳍-舵

球对流场均匀性影响，讨论潜在的振动与噪声收益可能性。

开展导流鳍-螺旋桨-舵系统激振力特性数值分析，在实尺度下进行带与不带导流鳍-

哈尔滨工程大学博士学位论文

舵球的船舶自航计算，全面分析导流鳍-舵球对螺旋桨诱导轴承力、舵力以及船体表面

压力的影响，计算导流鳍叶片在螺旋桨抽吸作用下的载荷脉动特性，探讨螺旋桨诱导激

振力变化可能带来的船体结构损伤影响及船体振动噪声影响。

关键词：导流鳍；舵球；尺度效应；快速性预报；激振力

导流鳍-舵球对船舶快速性及激振力影响研究

Abstract

Inordertomeetinternationalstandardsforlowcarbonemissions,ocean-goingvessels

aregraduallytransitioningtowardslargerandslowerdevelopment.Thistrendposesnew

problemsandchallengesforshipdesignandresearchanddevelopment.Theassessmentofthe

energy-savingeffectsofappendagesismostlybasedontowingtankmodelexperiments.

Predictionsoftheperformanceandenergy-savingeffectsforshipsequippedwithappendages

usingexisting