摘 要

喷水推进技术在高速、高性能船舶上得到了广泛的应用，具有推进效率高、机动性和操纵性优越、功率密度大、吃水浅等众多优点。但常规的喷水推进器主要为尾板安装式，在中低航速工况下的推进效率比螺旋桨推进低，并不适用于内河运输船等中低航速排水型船舶。而浸没式喷水推进器具有在中低航速下比常规尾板式喷水推进具有更好的效率性能，可与螺旋桨推进的推进效率相当，且比螺旋桨推进的功率密度更大，是内河运输船舶中值得探索和研究的一种新型推进方式。

本文开展了浸没式喷水推进内河运输船舶的船体与推进器匹配设计以及推进性能预报研究。研究中采用三维CAD软件Solidworks进行船体与推进器的几何建模，采用基于粘性流CFD软件Star-CCM 来开展船体和推进器的流场模拟和推进性能预报。

船体与浸没式喷术推进器的匹配通过改变推进器与船体的相对垂向位置、纵向布置位置、轴向倾斜角度等参数来生成不同的设计方案。通过对这些设计方案进行船模阻力性能、自航性能进行CFD数值计算，并对不同设计方案的水动力性能进行比较，评估不同设计方案的性能优劣，并据此来优选性能较好的浸没式喷水推进器与船体的集成方案，为浸没式喷水推进内河运输船的设计提供参考。

关键词：浸没式喷水推进器；推进性能；匹配设计；CFD计算

Abstract

Waterjet propulsion technology has been widely used in high-speed, high-performance ships, with many advantages such as high propulsion efficiency, excellent maneuverability and maneuverability, large power density, shallow draft and so on.However, the conventional water-jet propellers are mainly stern-mounted. Their propulsion efficiency is lower than that of propeller propulsion under low- and medium-speed conditions, and they are not suitable for low-speed and low-speed displacement ships such as inland transport ships.The submersible water jet propeller has better efficiency performance than the conventional tailboard water jet propulsion at low and medium speeds, which is comparable to the propulsive propulsion propulsion efficiency, and has a higher power density than the propeller propulsion propulsion.It is a new type of propulsion that is worth exploring and studying in inland transportation ships.

In this paper, the matching design of the hull and the propeller of the submerged water jet propulsion inland transportation ship and the propulsion performance prediction research are carried out.In the study, the three-dimensional CAD software Solidworks was used for geometric modeling of the hull and the thruster, and the VFD-based CFD software Star-CCM was used to carry out the flow field simulation and propulsion performance prediction of the hull and the thruster.

The matching of the hull and the submerged jet propeller generates different design solutions by changing the relative vertical position, longitudinal arrangement position, axial tilt angle and other parameters of the propeller and the hull.Through the CFD numerical calculation of the ship model resistance performance and self-propelled performance of these design schemes, and comparing the hydrodynamic performance of different design schemes, the performance of different design schemes is evaluated,Based on this, the integration scheme of better performance submersible water jet propeller and hull is selected to provide a reference for the design of submersible water jet propulsion inland transportation ship.

Keywords: Submersible water jet propulsion; propulsion performance; matching design; CFD calculation

目 录

摘要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 研究的目的及意义 3

1.3.1 研究的目的 3

1.3.2 研究的意义 3

1.4 本文主要研究的内容 4

1.4.1 内河运输船艉部线型建模 4

1.4.2 浸没式喷水推进器与船体的匹配建模 4

1.4.3 船体阻力预测CFD计算 4

1.4.4 浸没式喷水推进器自航性能数值计算 4

第二章 船体建模 5

第三章 船体阻力性能数值计算与预报 9

3.1 计算流体力学概述 9

3.2 船体阻力性能预报过程 10

3.2.1 网格的生成 11

3.2.2 相应物理模型的选择和相应数值设置 12

3.2.3 结果的可视化 13

3.3 船体阻力预测结果分析 14

3.3.1 自由水面和流场姿态的对比分析 14

3.3.2 波形的对比分析 16

3.3.3 各种阻力的对比分析 18

第四章 浸没式喷水推进器自航性能数值计算 19

4.1 浸没式喷水推进器自航性能数值计算过程 18

4.1.1 网格的生成 19

4.1.2 相应物理模型的选择和相应数值设置 20

4.1.3 结果的可视化 20

4.2浸没式喷水推进器自航性能分析 21

4.2.1 波形的对比分析 21

4.2.2 喷水推进器压力分布的对比分析 23

4.2.3 自航推进性能和阻力性能计算结果 25

4.2.4 推进效率的相关计算与对比分析 25

第五章 结论与展望 27

参考文献 29

致 谢 31

第一章 绪论

• 1. 研究背景

最近几十年以来，随着泵理论水平、泵设计水平和喷水推进船舶的越来越多，喷水推进开始被人们所逐渐熟悉。喷水推进在中小排水量、高航速、高性能船舶的推进方式设计已经具备了极大的竞争力。在国内，喷水推进的应用需求也是越来越多，使得我们国家与之相关的技术得到了十分大的提升。与此同时，更多的单位开始参与到喷水推进研究，且在其中各个环节都有了不小的建树。然而常规的喷水推进器更适合应用于高航速船舶，应用在中低航速的船舶上时的推进效率偏低，不具有应用优势。

浸没式喷水推进器在中低航速就有更好的效率优势，有潜力应用在中低速船上。相对于螺旋桨推进，浸没式喷水推进器的功率密度更大，还可以与船体集成为一体。在同样功率下，他的尺寸更小、吃水更浅。一些国外的研究机构已经开始了对浸没式喷水推进器的研究，国内对此方面的研究处于刚起步阶段，在浸没式喷水推进器与船体的匹配方面的研究非常缺乏。本论文在这一背景下提出。

• 1. 国内外研究现状

虽然喷水推进技术要比螺旋桨技术发明的还要早,但直到20世纪60年代之后喷水推进技术才开始被各个国家机构重点研究。在最近20多年里，喷水推进技术得到了巨大的发展,在高速高性能船舶、两栖车辆和一些浅吃水工程船上得到了越来越多的应用。

在国际上，喷水推进技术研究的高速发展极大地依赖于各个制造商、研究所、大学的共同努力。Rolls-Royce公司和Wartsila等国际大公司为喷水推进技术做过很多研究并获得了不小的成就。Rolls-Royce公司旗下的KaMeWa公司的水动力研究中心是其研究喷水推进产品的主要机构。他们有着很多与喷水推进水动力学相关的研究专家，通过CFD和FEA等现代分析手段，更方便快速的研究了高性能大功率密度的喷水推进新产品。同样地，Wartsila推进公司也有着不少喷水推进领域的专家，Bulten就是其中之一，他最擅长的就是用数值计算分析喷水推进器的性能。他对喷水推进器、进水流道和喷泵在各种工况下的瞬态和稳态计算做了十分深入的研究。