转柱舵（一型）方案设计及流体动力特性分析
摘 要摘 要最近几时年来，随着海洋在国家战略中的重要性日益提升，关于船舶这一块也得到人们的重视，而为了能使船舶在航行时更加具有操控性，对船舶的操纵性提出了高要求。就目前国内外对转柱舵的研究程度分析来看，没有太多关于专业和准确的数据报告和分析。设计者们还是依靠自身的经验去设计舵的方案，不能得到最好的设计方案。针对以上问题，为了了解转柱舵周围的流场，我们使用计算流体力学Fluent软件来进行数值模拟。以下是本文所需要做的工作：（1）选定一种船舶，查阅相关舵规范和文献资料之后进行转柱舵和不带转柱的常规流线型舵的设计。通过计算得到合理参数，并设置了几个典型工况。（2）使用gambi软件对上述两种舵进行建模并且划分网格，在fluent中的求解计算奠定了基础。（3）使用fluent软件对网格的进行检查，设定计算方法和边界条件，得到与之对应的速度图、动压力图、阻力、升力及力矩等。（4）上述所得到的转柱舵水动力数据与传统舵的相比，在攻角较小时，转柱舵性能略优于普通舵。在攻角大于30度以后，转柱舵的升力系数是普通舵的1.5倍，明显优于普通舵。关键词：转柱舵，CFD，数值模拟目录
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2.国内外转柱舵的研究现状 1
1.3国内外新型舵的研究现状 2
1.4研究内容 3
1.5本章小结 4
第二章 Fluent软件介绍 5
2.1 Fluent 软件介绍 5
2.1.1 软件优点 5
2.1.2 Fluent软件的组成 5
2.2 数值模拟的介绍 6
2.2.2 数值模拟的类型 7
2.2.3 数值模拟的步骤 7
2.3本章小结 8
第三章 模型的参数及计算区域的设定 9
3.1 转柱舵几何模型主要参数的设定 9
3.1.1 舵系主要参数 9
3.1.2 转柱舵的参数设计 9
3.2边界条件的确立 11
3.3 计算域的确定 12
3.4 计算条件的设定 12
3.5网格划分 13
3.6 本章小结 15
第四章
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
型的参数及计算区域的设定 9
3.1 转柱舵几何模型主要参数的设定 9
3.1.1 舵系主要参数 9
3.1.2 转柱舵的参数设计 9
3.2边界条件的确立 11
3.3 计算域的确定 12
3.4 计算条件的设定 12
3.5网格划分 13
3.6 本章小结 15
第四章 转柱舵的Gambit建模及Fluent计算求解 16
4.1 Gambit建模 16
4.2. Fluent的操作步骤 21
4.3 本章小结 25
第五章 流场数值模拟计算结果及分析 26
5.1 转柱舵翼型周围流场速度和压力分布 26
5.2 普通舵翼型周围流场速度和压力分布 28
5.3 计算结果的正确性 31
5.4转柱舵的升力系数、阻力系数和力矩系数分析 34
5.5本章小结 37
结 论 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
第一章 绪论
1.1 引言
随着海洋工程的快速发展，对一些船舶的海上船舶操纵性提出了更高的要求。船舶操纵性的好坏不仅是船舶的主要尺寸，形状等，也和操纵设备有很大的关系。确保船舶具有良好的可操作性关键是可靠的操纵设备。在大量设计人员的不懈努力，船舶的操控设备已得到一定完善，特别是要确保船舶操纵性，船舶绝大多数有专用设备 - 舵设备。
在正常情况下舵和方向舵操纵杆。舵叶是设在船体或流线型板的横截面的后方的旋转板，舵叶被设置为以产生流体动力的舵工具。舵的主要作用是灵活和准确的转向和确保舵叶有安全可靠充足的刚性。当转动舵叶时，舵的周围就会形成一系列流体动力学过程。也就是说我们操纵舵改变船舶航向的时候，舵叶上的力在水平方向上是阻力，在竖直方向上是升力。舵升力对船舶会产生一个转舵扭矩，船舶因此会发生转向[1]。
本文采用FLUENT 软件进行数值模拟，利用它对转柱舵的水动力性能进行了解和分析。从而可以得到在某些情况下转柱舵的情况，能够对其有更多的了解。
1.2.国内外转柱舵的研究现状
转柱的Magnus效应可以使转柱舵产生升力，而反过来转柱使周围环流增加循环，控制了舵表面边界层使其升力比普通高得多;因为转柱舵是转柱和舵一起形成的新型舵，可将普通流线型舵用于船舶航行中，其具有良好的方向稳定性和其他阻力小的优点，当船需要作强机动运动时的，可以启动转柱，获得大的控制力，以满足船舶操纵性的要求，其作用机制并不复杂。
自1970年以来，英国国家物理实验室发表了一些转柱舵后研究后，发表的信息就很少了。尽管一些研究已经探讨进一步的转柱空泡，转柱粗糙度和舵和转柱这间的间隙对其性能的影响[3,4]，但并不完全。例如，在转柱舵流体动力学测试报告，有的只有升力，但很少发布阻力，扭矩和其他的测试结果。
文献[2-4]指出，转动舵转柱的表面线速度和流速的比值达到3.0时，升力已达到最大。但文献[5]指出，就单一个转柱来说，当k值大于3.0的条件，该升力机仍在增长，表明转柱周围的环量仍在增加。就转柱舵来说，K>3.0时，升力是否继续上涨，需要进一步的测试这项研究工作，其中明确转柱舵在船在低速时，k值对船舶的操纵性的影响有实际意义的。
国外有将转柱舵应用于小型船舶，大型滚装船和内河推轮。中国也有将其用于内河机动驳实例[6]。我们也在实船和模型上分别装了转柱舵，进行了操纵性试验，分析了回转、Z 形操舵倒航和停船的试验结果, 并与流线型舵进行了比较, 阐述了转柱舵良好的操船效果, 尤其是倒航和停船时转柱舵对船舶仍具有操纵能力, 这是流线型舵所无法相比的[7].
1.3国内外新型舵的研究现状
新型舵的形式很多，除了转柱舵之外还有：襟翼舵、制流板舵、鱼尾舵等。
襟翼舵:在1966 年，我们的设计者们在拖船上尝试性的安装了杆襟翼舵，由此产生船舶襟翼舵。在这之后襟翼舵被广泛应用于长江各种推，拖船上。上世纪六十年代末，长江航运公司在"东方红”号上、青山船厂在"向阳”号上也都安装了齿轮式襟翼舵 [8]。还有1992 年邦治等研究了襟翼舵在敞水及螺旋桨尾流中的水动力性能【9】。在1998 年中国船舶科学研究中心的马向能、朱晓敏、江汉民、沈定安等人做了新型襟翼舵的舵模正交试验研究。得出几点结论【10】：新型襟翼舵与普通襟翼舵相比，在正常情况下它的的升力系数可达到传统舵的1.4至1.8倍，，而且其压力中心系数比传统舵要小，新型襟翼舵的阻力系数和升力系数与柱舵攻角和转角分别成正比关系。襟翼舵的阻力系数为传统的舵的1.4至2.1倍，，并各自独立地与襟翼舵转角和襟翼舵的主舵角有关。
目前为止，在全世界范围内有好多公司曾经获得过专利：Becher【11】公司开发研究的Becher舵、日本的欧式襟翼舵、B.C型舵以及雅达拉斯拉姆新型襟翼舵等。在美国，1972年，与哈佛其名的麻省理工学院【12】也对倒挂型NACAOO型襟翼舵进行了水动力特性试验研究。
制流板舵：在上海交通大学水池内陶尧森、朱文蔚、费乃振等人进行了敞水舵试验后得出三个结论: 1.安装制流挡板后升力系数明显增加，同比增加舵的展弦比，2. 安装了制流板后所增加的阻力和诱导减少的阻力基本上相等，舵总阻力系数几乎不变，3.装制流板后舵的CM-~CL曲线也几乎不变[13]。 1992年，日本小濑邦治和一些其他国家研究人员，在开放水域螺旋桨尾流中研究带制流板舵的水动力性能的系统，并通过实验研究方法进行了讨论。由于该实验的舵面积和展弦比参数在一定范围内取，并且在浅水区域进行实验，制流板的作用使船舶操舵性能大大提升。在1997 年，上海交通
第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2.国内外转柱舵的研究现状 1
1.3国内外新型舵的研究现状 2
1.4研究内容 3
1.5本章小结 4
第二章 Fluent软件介绍 5
2.1 Fluent 软件介绍 5
2.1.1 软件优点 5
2.1.2 Fluent软件的组成 5
2.2 数值模拟的介绍 6
2.2.2 数值模拟的类型 7
2.2.3 数值模拟的步骤 7
2.3本章小结 8
第三章 模型的参数及计算区域的设定 9
3.1 转柱舵几何模型主要参数的设定 9
3.1.1 舵系主要参数 9
3.1.2 转柱舵的参数设计 9
3.2边界条件的确立 11
3.3 计算域的确定 12
3.4 计算条件的设定 12
3.5网格划分 13
3.6 本章小结 15
第四章
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5`1^9`1^6^0`7^2#
型的参数及计算区域的设定 9
3.1 转柱舵几何模型主要参数的设定 9
3.1.1 舵系主要参数 9
3.1.2 转柱舵的参数设计 9
3.2边界条件的确立 11
3.3 计算域的确定 12
3.4 计算条件的设定 12
3.5网格划分 13
3.6 本章小结 15
第四章 转柱舵的Gambit建模及Fluent计算求解 16
4.1 Gambit建模 16
4.2. Fluent的操作步骤 21
4.3 本章小结 25
第五章 流场数值模拟计算结果及分析 26
5.1 转柱舵翼型周围流场速度和压力分布 26
5.2 普通舵翼型周围流场速度和压力分布 28
5.3 计算结果的正确性 31
5.4转柱舵的升力系数、阻力系数和力矩系数分析 34
5.5本章小结 37
结 论 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
第一章 绪论
1.1 引言
随着海洋工程的快速发展，对一些船舶的海上船舶操纵性提出了更高的要求。船舶操纵性的好坏不仅是船舶的主要尺寸，形状等，也和操纵设备有很大的关系。确保船舶具有良好的可操作性关键是可靠的操纵设备。在大量设计人员的不懈努力，船舶的操控设备已得到一定完善，特别是要确保船舶操纵性，船舶绝大多数有专用设备 - 舵设备。
在正常情况下舵和方向舵操纵杆。舵叶是设在船体或流线型板的横截面的后方的旋转板，舵叶被设置为以产生流体动力的舵工具。舵的主要作用是灵活和准确的转向和确保舵叶有安全可靠充足的刚性。当转动舵叶时，舵的周围就会形成一系列流体动力学过程。也就是说我们操纵舵改变船舶航向的时候，舵叶上的力在水平方向上是阻力，在竖直方向上是升力。舵升力对船舶会产生一个转舵扭矩，船舶因此会发生转向[1]。
本文采用FLUENT 软件进行数值模拟，利用它对转柱舵的水动力性能进行了解和分析。从而可以得到在某些情况下转柱舵的情况，能够对其有更多的了解。
1.2.国内外转柱舵的研究现状
转柱的Magnus效应可以使转柱舵产生升力，而反过来转柱使周围环流增加循环，控制了舵表面边界层使其升力比普通高得多;因为转柱舵是转柱和舵一起形成的新型舵，可将普通流线型舵用于船舶航行中，其具有良好的方向稳定性和其他阻力小的优点，当船需要作强机动运动时的，可以启动转柱，获得大的控制力，以满足船舶操纵性的要求，其作用机制并不复杂。
自1970年以来，英国国家物理实验室发表了一些转柱舵后研究后，发表的信息就很少了。尽管一些研究已经探讨进一步的转柱空泡，转柱粗糙度和舵和转柱这间的间隙对其性能的影响[3,4]，但并不完全。例如，在转柱舵流体动力学测试报告，有的只有升力，但很少发布阻力，扭矩和其他的测试结果。
文献[2-4]指出，转动舵转柱的表面线速度和流速的比值达到3.0时，升力已达到最大。但文献[5]指出，就单一个转柱来说，当k值大于3.0的条件，该升力机仍在增长，表明转柱周围的环量仍在增加。就转柱舵来说，K>3.0时，升力是否继续上涨，需要进一步的测试这项研究工作，其中明确转柱舵在船在低速时，k值对船舶的操纵性的影响有实际意义的。
国外有将转柱舵应用于小型船舶，大型滚装船和内河推轮。中国也有将其用于内河机动驳实例[6]。我们也在实船和模型上分别装了转柱舵，进行了操纵性试验，分析了回转、Z 形操舵倒航和停船的试验结果, 并与流线型舵进行了比较, 阐述了转柱舵良好的操船效果, 尤其是倒航和停船时转柱舵对船舶仍具有操纵能力, 这是流线型舵所无法相比的[7].
1.3国内外新型舵的研究现状
新型舵的形式很多，除了转柱舵之外还有：襟翼舵、制流板舵、鱼尾舵等。
襟翼舵:在1966 年，我们的设计者们在拖船上尝试性的安装了杆襟翼舵，由此产生船舶襟翼舵。在这之后襟翼舵被广泛应用于长江各种推，拖船上。上世纪六十年代末，长江航运公司在"东方红”号上、青山船厂在"向阳”号上也都安装了齿轮式襟翼舵 [8]。还有1992 年邦治等研究了襟翼舵在敞水及螺旋桨尾流中的水动力性能【9】。在1998 年中国船舶科学研究中心的马向能、朱晓敏、江汉民、沈定安等人做了新型襟翼舵的舵模正交试验研究。得出几点结论【10】：新型襟翼舵与普通襟翼舵相比，在正常情况下它的的升力系数可达到传统舵的1.4至1.8倍，，而且其压力中心系数比传统舵要小，新型襟翼舵的阻力系数和升力系数与柱舵攻角和转角分别成正比关系。襟翼舵的阻力系数为传统的舵的1.4至2.1倍，，并各自独立地与襟翼舵转角和襟翼舵的主舵角有关。
目前为止，在全世界范围内有好多公司曾经获得过专利：Becher【11】公司开发研究的Becher舵、日本的欧式襟翼舵、B.C型舵以及雅达拉斯拉姆新型襟翼舵等。在美国，1972年，与哈佛其名的麻省理工学院【12】也对倒挂型NACAOO型襟翼舵进行了水动力特性试验研究。
制流板舵：在上海交通大学水池内陶尧森、朱文蔚、费乃振等人进行了敞水舵试验后得出三个结论: 1.安装制流挡板后升力系数明显增加，同比增加舵的展弦比，2. 安装了制流板后所增加的阻力和诱导减少的阻力基本上相等，舵总阻力系数几乎不变，3.装制流板后舵的CM-~CL曲线也几乎不变[13]。 1992年，日本小濑邦治和一些其他国家研究人员，在开放水域螺旋桨尾流中研究带制流板舵的水动力性能的系统，并通过实验研究方法进行了讨论。由于该实验的舵面积和展弦比参数在一定范围内取，并且在浅水区域进行实验，制流板的作用使船舶操舵性能大大提升。在1997 年，上海交通
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