转柱舵（二型）方案设计及流体动力特性分析
在这个海洋工程不断发展的今天，我们越来越重视对于新型舵的开发、设计及研究。不过事与愿违，世界上对舵进行系统性的实验还比较少，完整的文献资料和图纸还难以被找到。设计者们更多地还是凭借自己之前的经验来进行设计，所以很难设计出最优的舵。地球上百分之七十的地方被海洋覆盖，这是一个属于海洋的世纪。我们能更多的探索和获取海洋的资源。我们国家也在实施海洋兴国战略，船舶也与海洋兴国息息相关。提供船舶的操纵性对于船舶来说很重要。很多设计师对转柱舵的开发产生了兴趣，因为其拥有着高升力和稳定的操纵性。因此，我们需要加紧对转柱舵的相关研究。本文针对这一问题，利用gambit软件先进行建模，然后使用fluent软件进行数值模拟。主要完成了以下的一些工作： （1）对于某艘船舶，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，并且设置了几个典型工况。 （2）使用gambi软件对上述两种舵的建模并且划分了网格，给在fluent中的求解计算奠定了基础。 （3）使用fluent软件进行网格的检查，计算方法和边界条件的设定，得到了与之对应的速度图、动压力图、阻力、升力及力矩等。 （4）对于上述得到的转柱舵和不带转柱的常规流线型舵的一系列云图和水动力参数进行比较，并查阅相关规范，得出结论：转柱舵在同等条件下升力系数大，阻力系数小，扭矩系数等方面优于流线型舵，便于操纵。关键词：转柱舵，水动力性能，CFDKeywords: Rotating cylinder rudder, Hydrodynamic performance,CFD 目录
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2国内外新型舵研究现状 2
1.2.1转柱舵研究现状 2
1.2.2襟翼舵研究现状 2
1.2.3喷流舵研究现状 4
1.3本章小结 5
第二章 软件介绍 6
2.1fluent软件介绍 6
2.1.1fluent软件简述 6
2.1.2fluent能解决的问题 6
2.1.3fluent的优点 6
2.1.4fluent的其他特点 7
2.1.5fluent软件的组成 7
2.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
现状 4
1.3本章小结 5
第二章 软件介绍 6
2.1fluent软件介绍 6
2.1.1fluent软件简述 6
2.1.2fluent能解决的问题 6
2.1.3fluent的优点 6
2.1.4fluent的其他特点 7
2.1.5fluent软件的组成 7
2.2数值模拟 7
2.2.1数值模拟简介 7
2.2.2数值模拟步骤 8
2.2.3本章小结 9
第三章 转柱舵设计和计算域的确定 10
3.1转柱舵设计 10
3.1.1舵系相关参数 10
3.1.2 转柱舵参数设计 11
3.2计算条件确定 13
3.3计算区域的确定 13
3.4网格划分 14
3.5本章小结 15
第四章 用gambit进行建模以及用fluent进行计算 16
4.1用gambit进行建模 16
4.2 Fluent中相关步骤 19
第五章流场数值模拟计算与结果分析 25
5．1计算结果及分析 25
5.1.1转柱舵不同攻角下周围流场速度和压力分布 25
5.1.2不带转柱的常规流线型舵不同攻角下周围流场速度和压力分布 27
5.1.3转柱舵和不带转柱常规流线型舵各个工况下的残差图 30
5.2各个攻角下水动力性能分析 32
5.2.1升力系数分析 32
5.2.2阻力系数分析 33
5.2.3扭矩系数分析 34
5.3误差分析 35
第六章 结论 36
致谢 37
参考文献 38
第一章 绪论
1.1引言
船舶操纵性会影响到船舶的航行，在这个海洋工程不断发展的今天，我们希望船舶操纵性能够越来越得到提高。众所周知，舵是用来完成操纵船舶运动的重要装置。在完成了船的总体设计后，舵成为了保证船舶具有良好操纵性能的一个非常关键的因素。舵是一种装置，可以改变船的航向，具有控制船舶运动的功能，改变船的方向或按照规定的路线，从而使船舶前行。从古至今，舵凭借自身结构不复杂且作用明显，操作便捷的特点常存于世。
舵是一种小展弦比的机翼或平板，它有着很多种的样式。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，船舶就是靠这个开始了转向。
舵的形式各种各样，主要可分为传统舵和新型舵。在这之中新型舵常见的有：转柱舵、襟翼舵、喷流舵、舵球舵等。本文主要研究新型舵的现状及转柱舵的设计分析。
1.2国内外新型舵研究现状
1.2.1转柱舵研究现状
近年以来，通过马格努斯效应设计出来的转柱舵，因它能凭借高效率来实现对船舶优良操纵而引起了人们的兴趣。单一转柱对船舶的航向稳定作用不佳, 它需要不间断地旋转，且圆柱的阻力非常大。舵的升力是由Magnus效应产生，舵的边界层得到了有效的控制，舵的升力大大提高。又因转柱舵是由转柱和舵构成的一组流线型体, 在船舶巡航时可当做普通流线型舵使用, 具有航向稳定性好和阻力小一系列优点, 当船舶需要强机动运动时,能够启动转柱, 获得较大的控制力, 以满足船舶操纵性要求, 而且它的机构并不复杂。上世纪七十年代，英国国家物理实验所( NPL) 第一次公布转柱舵一些试验结果【1】以来,我们很少能找到转柱舵的相关资料。虽然研究工作有的已经深入到考察转柱空泡、转柱粗糙度和转柱与舵之间的间隙对其性能的影响【2,3】等方面, 但是还尚不完全。根据许汉珍，刘幼华在拖曳水池中所进行的转柱舵系列实验，可以发现①转柱舵与流线型舵相比，升力性能更为优良，倒车升力性能尤其突出，转柱舵倒航时压力中心更接近正航时的位置，有利于选择舵的平衡比参数。②与单纯转柱比较，转柱舵不仅能让船具有较好的航向稳定性,而且舵力大, 当船舶巡航时舵的附体阻力小。因此从水动力性能角度来分析, 转柱舵明显比单纯转柱优越。【4】在华理工张戎军等人对五个展弦比的转柱舵进行了水池实验,他们得到了转柱舵水动力相关参数随速度比、展弦比改变的一般规律, 把转柱舵阻力，升力系数和压力中心无量纲系数与速度比，纵横比，舵角的变化绘制成一系列的曲线,归纳总结了得到较好转柱舵水动力性能的速度比、展弦比选择域。【5】
1.2.2襟翼舵研究现状
襟翼舵一开始叫作转折舵，在航空飞行器上最早被应用，使用襟翼我们可以增加相应的面积。襟翼舵有一个子舵在主舵后面，子舵通过连接机构来进行传动。我们在用舵机对舵进行转向时，子舵会随着主舵的转动而转动，他们的转动方向是相同的，不过子舵转动的角度略大。它的外形(如图1-1所示)就像鱼在转弯时尾部形成一个曲状，这样舵的压力得到了增加并且改善了船舶的回转性【6】。
图1-1襟翼舵外形示意图 ①子舵②主舵③螺旋桨
中国在上世纪六十年代开始在江船上安装襟翼舵。1966年，长江船舶设计所首先在一艘拖船上使用襟翼舵并且得到了很好的效果，在这以后，襟翼舵在长江船只上的使用变得多了起来。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【6】。中国船舶科学研究中心的马向能等船舶设计人员通过对新型襟翼舵的一系列水动力性能试验验证表明，与普通舵相比，新型襟翼舵具备有升力系数高、压力中心纵向位置变化不大等优点【7】。
在日本，加藤野性【8】等船舶设计人员在上世纪六十年代针对襟翼舵敞水性能方面做了大量试验研究。小冶邦罡【9】等船舶设计人员在二十多年前进一步的对敞水性能中的水动力性能开展了大量实验研究工作。在德国，上世纪六十年代初第一艘使用襟翼舵的油轮通过进行试航试验，我们的得出结论，因为襟翼舵的存在，能够让船舶回转性能得到极大提高；60年代一艘近海游轮“Wolfenbuttel"号装上襟翼舵，其卓越的操纵性能吸引了广大造船人的注意力。多个发达的西
第一章 绪论 1
1.1引言 1
1.2国内外新型舵研究现状 2
1.2.1转柱舵研究现状 2
1.2.2襟翼舵研究现状 2
1.2.3喷流舵研究现状 4
1.3本章小结 5
第二章 软件介绍 6
2.1fluent软件介绍 6
2.1.1fluent软件简述 6
2.1.2fluent能解决的问题 6
2.1.3fluent的优点 6
2.1.4fluent的其他特点 7
2.1.5fluent软件的组成 7
2.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
现状 4
1.3本章小结 5
第二章 软件介绍 6
2.1fluent软件介绍 6
2.1.1fluent软件简述 6
2.1.2fluent能解决的问题 6
2.1.3fluent的优点 6
2.1.4fluent的其他特点 7
2.1.5fluent软件的组成 7
2.2数值模拟 7
2.2.1数值模拟简介 7
2.2.2数值模拟步骤 8
2.2.3本章小结 9
第三章 转柱舵设计和计算域的确定 10
3.1转柱舵设计 10
3.1.1舵系相关参数 10
3.1.2 转柱舵参数设计 11
3.2计算条件确定 13
3.3计算区域的确定 13
3.4网格划分 14
3.5本章小结 15
第四章 用gambit进行建模以及用fluent进行计算 16
4.1用gambit进行建模 16
4.2 Fluent中相关步骤 19
第五章流场数值模拟计算与结果分析 25
5．1计算结果及分析 25
5.1.1转柱舵不同攻角下周围流场速度和压力分布 25
5.1.2不带转柱的常规流线型舵不同攻角下周围流场速度和压力分布 27
5.1.3转柱舵和不带转柱常规流线型舵各个工况下的残差图 30
5.2各个攻角下水动力性能分析 32
5.2.1升力系数分析 32
5.2.2阻力系数分析 33
5.2.3扭矩系数分析 34
5.3误差分析 35
第六章 结论 36
致谢 37
参考文献 38
第一章 绪论
1.1引言
船舶操纵性会影响到船舶的航行，在这个海洋工程不断发展的今天，我们希望船舶操纵性能够越来越得到提高。众所周知，舵是用来完成操纵船舶运动的重要装置。在完成了船的总体设计后，舵成为了保证船舶具有良好操纵性能的一个非常关键的因素。舵是一种装置，可以改变船的航向，具有控制船舶运动的功能，改变船的方向或按照规定的路线，从而使船舶前行。从古至今，舵凭借自身结构不复杂且作用明显，操作便捷的特点常存于世。
舵是一种小展弦比的机翼或平板，它有着很多种的样式。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，船舶就是靠这个开始了转向。
舵的形式各种各样，主要可分为传统舵和新型舵。在这之中新型舵常见的有：转柱舵、襟翼舵、喷流舵、舵球舵等。本文主要研究新型舵的现状及转柱舵的设计分析。
1.2国内外新型舵研究现状
1.2.1转柱舵研究现状
近年以来，通过马格努斯效应设计出来的转柱舵，因它能凭借高效率来实现对船舶优良操纵而引起了人们的兴趣。单一转柱对船舶的航向稳定作用不佳, 它需要不间断地旋转，且圆柱的阻力非常大。舵的升力是由Magnus效应产生，舵的边界层得到了有效的控制，舵的升力大大提高。又因转柱舵是由转柱和舵构成的一组流线型体, 在船舶巡航时可当做普通流线型舵使用, 具有航向稳定性好和阻力小一系列优点, 当船舶需要强机动运动时,能够启动转柱, 获得较大的控制力, 以满足船舶操纵性要求, 而且它的机构并不复杂。上世纪七十年代，英国国家物理实验所( NPL) 第一次公布转柱舵一些试验结果【1】以来,我们很少能找到转柱舵的相关资料。虽然研究工作有的已经深入到考察转柱空泡、转柱粗糙度和转柱与舵之间的间隙对其性能的影响【2,3】等方面, 但是还尚不完全。根据许汉珍，刘幼华在拖曳水池中所进行的转柱舵系列实验，可以发现①转柱舵与流线型舵相比，升力性能更为优良，倒车升力性能尤其突出，转柱舵倒航时压力中心更接近正航时的位置，有利于选择舵的平衡比参数。②与单纯转柱比较，转柱舵不仅能让船具有较好的航向稳定性,而且舵力大, 当船舶巡航时舵的附体阻力小。因此从水动力性能角度来分析, 转柱舵明显比单纯转柱优越。【4】在华理工张戎军等人对五个展弦比的转柱舵进行了水池实验,他们得到了转柱舵水动力相关参数随速度比、展弦比改变的一般规律, 把转柱舵阻力，升力系数和压力中心无量纲系数与速度比，纵横比，舵角的变化绘制成一系列的曲线,归纳总结了得到较好转柱舵水动力性能的速度比、展弦比选择域。【5】
1.2.2襟翼舵研究现状
襟翼舵一开始叫作转折舵，在航空飞行器上最早被应用，使用襟翼我们可以增加相应的面积。襟翼舵有一个子舵在主舵后面，子舵通过连接机构来进行传动。我们在用舵机对舵进行转向时，子舵会随着主舵的转动而转动，他们的转动方向是相同的，不过子舵转动的角度略大。它的外形(如图1-1所示)就像鱼在转弯时尾部形成一个曲状，这样舵的压力得到了增加并且改善了船舶的回转性【6】。
图1-1襟翼舵外形示意图 ①子舵②主舵③螺旋桨
中国在上世纪六十年代开始在江船上安装襟翼舵。1966年，长江船舶设计所首先在一艘拖船上使用襟翼舵并且得到了很好的效果，在这以后，襟翼舵在长江船只上的使用变得多了起来。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【6】。中国船舶科学研究中心的马向能等船舶设计人员通过对新型襟翼舵的一系列水动力性能试验验证表明，与普通舵相比，新型襟翼舵具备有升力系数高、压力中心纵向位置变化不大等优点【7】。
在日本，加藤野性【8】等船舶设计人员在上世纪六十年代针对襟翼舵敞水性能方面做了大量试验研究。小冶邦罡【9】等船舶设计人员在二十多年前进一步的对敞水性能中的水动力性能开展了大量实验研究工作。在德国，上世纪六十年代初第一艘使用襟翼舵的油轮通过进行试航试验，我们的得出结论，因为襟翼舵的存在，能够让船舶回转性能得到极大提高；60年代一艘近海游轮“Wolfenbuttel"号装上襟翼舵，其卓越的操纵性能吸引了广大造船人的注意力。多个发达的西
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/jtgc/cbyhy/379.html
