船舶推进节能装置节能机理及设计方法研究

船舶推进节能技术研究符合国际造船界最新提出的"船舶节能减排"发展新理念，对于提高我国船舶工业的竞争能力和企业的经济效益具有重要意义。我国船舶推进节能技术的开发始于20世纪80年代初。目前，节能装置的研究与设计仍以模型试验研究为主，传统的理论研究方法主要是基于漩涡理论和势流理论的升力线、升力面、面元法等方法，它们只能从总体节能效果上研究节能装置，而桨前节能装置的主要作用是使船体伴流更加均匀，进而提高螺旋桨的推进效率，因此，采用CFD方法来研究节能装置、从流场流动细节上揭示其节能机理显的十分必要。本项目基于CFD技术研究船体、螺旋桨、舵、节能装置四者相互干扰下节能效果的数值预报方法，探索船舶推进节能装置的工作机理，揭示船体伴流场流动结构的变化与节能效果的关系，比较分析几种节能装置的性能，针对肥大船型设计桨前节能装置，形成有效的包含节能装置的船舶推进系统推进性能预报方法与节能装置数值设计方法。

本项目基于CFD技术完成了船体-螺旋桨-舵相互干扰水动力性能的整体求解方法研究，基于整体求解船体-螺旋桨-舵-节能装置四者相互干扰时的水动力性能，完成了节能装置节能效果精确预报的数值预报方法研究，通过流场流动细节研究了节能装置的工作机理，揭示了船体伴流场流动结构的变化与节能效果的关系，分析了几种节能装置的节能机理，完成了基于流场流动细节和节能机理的节能装置数值设计方法研究，针对某肥大船型设计了多种节能装置，通过数值方法预报了其节能效果，并从中选取节能效果突出的节能装置开展了模型试验研究，从而完成了项目的研究内容，实现了研究目标，得到了可部分替代船模水池试验的节能装置节能效果的数值预报方法，形成了基于整体求解船-桨-舵-节能装置水动力性能预报肥大型船推进系统推进性能的数值预报方法与节能装置数值设计方法。采用上述理论研究方法为正在建造的某散货船设计了前置导管、导流鳍、补偿导管、舵球、舵附推力鳍等多种节能装置，并基于节能效果互补的原则，优化组合了整流鳍与前置导管、舵球与舵附推力鳍、导流鳍与补偿导管等组合式节能装置，较为详细地研究了各节能装置设计参数对节能效果的影响，通过比较数值预报的节能效果，选取其中的舵球与舵附推力鳍、导流鳍与补偿导管组合式节能装置开展了模型试验研究。模型试验结果得到的各节能装置在最佳工况条件下的节能效果如下：舵球与舵附推力鳍组合，可使推进效率提高1.97%，可使螺旋桨收到功率减少2.24%；导流鳍与补偿导管组合，可使推进效率提高2.81%，可使螺旋桨收到功率减少2.48%；导流鳍-补偿导管-舵球-舵附推力鳍组合，可使推进效率提高5.86%，可使螺旋桨收到功率减少3.71%，节能效果十分显著。该试验结果进一步验证了本项目所采用的节能效果数值预报方法和节能装置数值设计方法的准确性和适用性，实现了用数值研究替代模型选型试验研究、只需开展数值研究结果的模型验证试验即可得到常规节能装置设计方法需要加工多个模型、开展系列模型试验才能得到所需节能效果的研究目标。本项目培养了2名博士研究生和2名硕士研究生，发表相关论文11篇，相关研究成果对于提高我国造船业和航运业的国际竞争力具有重要意义，既是应对船舶能效设计指数实施的重要举措，也是巩固我国造船业和航运业国际市场份额的有效措施之一，在低碳型新船开发、旧船节能改造中有着巨大的市场需求和明确的应用前景。