船体与喷水推进器相互作用机理及其尺度效应研究

Considering a waterjet system in a hull, the interaction between the hull system and the waterjet system will change the thrust performance and the power performance of the waterjet, as well as the resistance performance of the hull, sometimes hull resistance to be decreased. Mechanism of hull-waterjet interaction is more complicated than that of hull-propeller system, because of the tight integration of waterjet and hull. The project is to simulate the complicated three-dimensional viscous flow field of waterjet subsystem, hull subsystem and waterjet-hull system both in model scale and full scale numerically by computational fluid dynamics method in order to study performance of each constituent subsystem and mechanism of interaction, as well as the effects on thrust performance and power performance of waterjet and resistance performance of hull. To validate the creditability of computational results, verification and validation analysis are conducted. Also data from bare model hull resistance measurements, self-propulsion tests and other tests are used to validate the results. Contents of this research are: (1) effects of size, type, pose, speed, free surface of hull on inflow pattern and thrust performance and power performance of waterjet; (2) effects of suction flow of intake, nozzle jet of waterjet on flow pattern, pose and resistance of hull; (3) factors affecting thrust reduction fraction and relations between thrust deduction fraction and speed, pose and type of hull; (4) scale effects of mechanism of interaction effect.

喷水推进器装船后其内外流场与船体外流场的相互作用既改变了喷水推进器的推力和功率特性，又改变了船体的阻力特性,有时还会引起船体阻力的减小。因喷水推进器集成于船体内部，故喷水推进器与船体相互作用机理较螺旋桨船更为复杂。本项目拟采用计算流体力学方法分别数值求解模型尺度和实尺度下喷水推进器分系统、裸船体分系统和"喷水推进器+船体"系统三维粘性流场，以研究各分系统特性和两者相互作用机理及其对推力、功率特性和阻力特性等的影响。为验证计算结果的可信性，进行验证与校核分析，并采用船模阻力试验、自航试验及相关试航数据进行校验。主要研究：（1）船体尺寸、船型、姿态、航速、自由液面等船体因素对喷水推进器伴流及推力、功率等性能的影响；（2）喷水推进器进水口吸水、喷口射流等对船体流场、姿态及阻力等的影响；（3）推力减额等关键因子的影响因素及其大小随航速、船体姿态、船型等因素的变化规律；（4）相互作用机理的尺度效应。

船体与喷水推进器相互作用对准确预报喷水推进船推进性能起着重要作用。采用理论分析、数值计算和物理试验相结合的方法对船体与喷水推进器相互作用机理进行了系统研究。（1）对船体与喷水推进器相互作用理论进行了梳理与归纳，重点对推力减额及其影响因素进行了理论分析。（2）对喷水推进系统推进性能预报过程和试验方法进行了详细描述与分析，对船模向实船性能转换的等推力系数法和等流量系数法进行了归纳与对比分析。（3）分别对喷水推进器、船体、船泵系统进行了数值计算，并用物理试验进行了校验。（4）研究了船体对喷水推进器性能的影响。船体斜升角和横摇对喷水推进器性能的影响很小。船体尾升角和纵倾变化改变了船体边界层；纵倾角越大，对边界层的利用越弱，流量越大，功率和推力越小。（5）研究了喷水推进器对船体阻力、姿态等的影响。喷水推进器对摩擦阻力影响不大，而对压阻力影响较大。由于喷水推进器对水流的吸入作用，与进水口对应位置的波高小于裸船对应位置的波高。喷水推进器使船体后部产生的升力减小，引起船尾下沉。高航速时，自航船的尾吃水变大，纵倾角变大。（6）采用由船模性能向实船性能外推和直接数值预报的方法对实船推进性能进行了预报。阻力增额t1随着航速的增加而减小，推力减额系数t2随着航速的增加而增大，总推力减额t随着航速的增加先增大后减小。外推法预报的喷水推进效率低于实尺直接预报法。（7）归纳并分析了影响性能预报的尺度效应，分别是拖曳力、边界层与伴流系数、波形变化、进水流道性能、喷泵性能和推力减额。实船边界层相对厚度小于船模，可用船模的进流面动量速度系数代替实船速度系数进行推力预报，用船模喷口动量速度系数代替实船喷口速度系数会造成推力欠预报。数值计算得到实船的摩擦阻力所占比例小于船模。实船进水流道效率和喷泵效率均高于船模。船模与实船的阻力增额t1具有相同的变化趋势；推力减额系数t2变化趋势恰恰相反，随着航速的增加，船模的推力减额t2逐渐增大，而实船逐渐减小。船模与实船的总推力减额t变化趋势也不一致，船模的总推力减额随航速的增加先增大后减小，且0<t<0.1；而实船的总推力减额随着航速的增加单调减小，由0.3降至-0.08。可见，利用船模推力减额代替实船推力减额不能进行实船性能准确预报。本研究可以完善喷水推进理论，对完善数值水池和实尺度船舶加推进器系统大型数值计算方法和应用具有一定的科学意义。