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NACA半悬挂舵舵叶流场数值模拟及舵装置辅助设计

张瑞  
【摘要】: 舵装置是船舶安全航行的重要保证。在船舶外形尺度和螺旋桨确定后,舵就成了影响船舶操纵性的最重要的因素。船舶现代设计要求船舶有良好的操纵性,而船用舵性能优越,结构简单,因此舵的设计尤为重要。 目前舵的设计工作主要是根据以往的优良船型的设计资料进行设计。设计者在母型船舵系的基础上反复修改、校核,直至得到满足用户需要、且符合规范的设计。这个过程繁琐复杂,通常一个小小的改动会牵动其他的很多变动,从而导致设计效率低下,这严重影响船的设计进度。因此如何能提高舵的设计效率,较快的设计出实用高效的舵,成了设计者面前一个亟待解决的问题。本文正是基于此想法,编写应用程序,实现参数化绘图,由计算机自动导出舵设计计算书,以提高舵设计效率,简化设计人员的工作。 本论文主要工作有两部分:采用FLUENT软件,模拟舵叶流场数值变化,得出舵的水动力特性;利用VB编写应用程序实现自动绘制舵图形和自动生成舵设计计算书。考虑到舵的种类繁多、功能各异,本文主要针对市场占有率最大的海洋运输船常用的舵型——NACA对称翼型剖面半悬挂舵。 舵的结构形式简单,为舵设计的参数化设计提供了可能。本文提取舵叶弦长、展弦比、舵剖面型号作为绘制舵图形的基本参数。用户只需在程序窗口中输入船舶主尺度、舵叶基本参数等值,程序即可驱动AutoCAD自动绘图,并得到校核强度所需的有关尺寸。程序将这些尺寸导入计算模块中进行计算,由用户决定所选用的材料型号,选用的舵杆直径等,最后得到舵设计计算书。整个过程非常简单快捷,经过设计实例证明结果实用可靠。 舵装置的设计有两大关键步骤,一个就是确定所选择的舵的水动力特性,即舵力、扭矩等,以便核算舵的结构尺寸,选择舵机;另一个是选择所需的舵面积及其有关特性参数。而目前的舵的水动力性能的计算主要有两种方法:其一是利用舵的模型资料进行换算;其二是采用近似计算公式估算。但这两种方法都存在一定缺陷。采用近似公式估算简单易行,但结果非常不精确。而得到模型资料需要进行大量试验,耗费巨大,且模舵与实舵还存在很多差异,试验结果相对精确但仍有出入。本文是基于FLUENT软件,利用GAMBIT前处理软件建模,采用spalart-Allmaras湍流模型,二阶迎风格式模拟舵叶流场,计算得到了舵的水动力性能数据。与舵模型试验数据比较,结果吻合较好。本人利用FLUENT软件进行大量计算,研究了展弦比、来流速度、剖面形式对舵的水动力性能的影响。并据此为舵的参数化设计选取了关键参数。 本文对舵叶粘性流场进行数值模拟,得出了舵的水动力特性。作者所进行的研究,有效的缩短了半悬挂舵的设计过程,从方案设计、图纸表达、性能分析到最后的方案确定都由应用程序迅速解决,加快了设计进度,提高了设计效率。


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