通过提高推进性能开发全速船的节能装置外文翻译资料

 2022-05-17 09:05

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通过提高推进性能开发全速船的节能装置

金正恩1，郑容恩2，奉俊1，佘钟豪1和香乡徐1

1现代重工业株式会社，韩国蔚山

2韩国釜山釜山国立大学船舶和近海工厂全球核心研究中心

摘要：317K VLCC的节能装置是从推进的角度发展起来的。 两名ESD候选人是通过计算工具设计的。 第一台设备WAFon由适用于船舶尾流的流量控制翅片组成，以减少旋转能量的损失。 另一个是WAFon-D，它是一个带有管道的WAFon，用于获得额外的推力并将流入速度分布在螺旋桨平面上。 从计算结果中选择候选项后，速度性能通过模型​​测试进行验证。 通过增加尾流分数可以发现船体和推进效率提高的ESD的水动力特性。

关键词：节能装置; VLCC; CFD; 模型测试; 管; 流量控制翅片; 推进性能。

介绍

造船业将继续被重组为一个生态友好型的产业，这意味着开发减少船舶温室气体排放的核心技术将变得越来越重要。 攀升的石油价格也提高了开发节能设备（ESD）的必要性。 这些设备可以最大限度地减少航行过程中的能量损失或部分恢复能量损失 平静水面航行过程中的能量损失可能是由于①波浪造成的阻力，粘性和风力; ②推进，包括螺旋桨通过时加速流速引起的动量损失，螺旋桨滑流旋转流产生的能量损失以及船体形式和摩擦力引起的粘性损失; 和③废气和热量损失。 部分失去的能量通过螺旋桨和方向舵被回收。 另一种节约的方法是利用ESD。 由于船体结构的复杂性，该装置确实存在额外成本的下降。 然而，燃料成本和国际环境法规的增加超过了这一点，导致各种可持续发展教育的发展，通过提高船舶阻力和推进性能来降低燃料消耗。

自从20世纪70年代后期的能源危机以来，各种类型的可持续发展教育已经得到发展。 ESD可以分为三组。 一个位于螺旋桨前方，改善螺旋桨飞机的流入。 另一个利用螺旋桨滑流的旋转流动。 另一种是综合了这两种类型的优点的复合ESD。 本研究旨在开发适用于全速船的ESD。 在全慢速船的情况下，由于船体的突然变化，从平行的中间船体向船尾转移的一对强涡流流入螺旋桨平面。 这是通过造成螺旋桨流入量不均匀而破坏船舶阻力，推进和气蚀性能的一个因素。 正在开发各种类型的ESD来消除这种性能下降。 涡流发生器是一种ESD

通讯作者：崔荣恩，电子邮件：jechoi@pusan.ac.kr

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通过使用尖端涡流将大动量从边界层的外部移动到内部部分，通过螺旋桨流入中的均匀速度分布来增强螺旋桨的气蚀性能（Lee等人，2004;Choi等，2009）。 低粘度翅片（Masuko等，1998）是另一种类型的ESD，它会削弱舱底涡，从而改善螺旋桨流入的速度分布，并降低由船尾压力恢复引起的粘滞阻力。 预旋流定子（PSS）还通过预先产生或改善旋转流动来降低螺旋桨滑流的旋流能量来提高推进效率（PSS）Lee等，1992; Lee等人，1994; Kim等人，1993; Yang等人， 2000; 2001; Kang等人，2004）。 反应翅片与PSS类似的节能机制一起工作（Kawakita等，2012）。 另一种类型的ESD安装了一个管道，该管道使螺旋桨平面上的速度分布均匀，并在箔片部分产生额外的推力Schneekluth，1986）。 还有一个ESD，它利用了PSS和管道的流体力学特性（Mewis和Guiard，2011;Dang，2012;Shin等，2013）。 由于数值方法和计算机能量的快速发展，CFD成为ESD设计的有力工具。Morgut和Nobile（2012）比较了采用两种不同网格类型（即六结构网格和混合非结构网格）均匀流入螺旋桨周围的流动特性。 他们表明，混合非结构化网格似乎表现出比六结构网格更具扩散特性的特征，尽管这些网格保证了相似的精度水平。 混合网格系统应用于预测在船后操作的螺旋桨周围的流动特性。Seo等人。 （2010年）在船首和船尾区域使用非结构化网格，并在结构域的其余部分使用结构化网格。Park等人 （2013）使用开源库开发了SNUFORM代码来预测船舶阻力的性能。Ji等人 （2011年;2012) 模拟均匀和尾流中螺旋桨周围的空化流动。Paik等人 （2014）使用Fluent的商业代码模拟在船体后面运行的螺旋桨的空化流动和船体压力波动。

在这项研究中，改进全速船317k VLCC推进性能的静电消除器已经使用CFD进行设计并通过模型试验进行验证。 本文的第二章将研究客观的船舶和计算条件; 第三种有效的CFD技术来开发可持续发展教育; 第四个将处理设备的设计概念; 使用CFD开发ESD的第五项; 以及用拖曳水池实验的ESD模型船性能分析方法和评估的第六和第七。

目标船和计算条件

目标船和螺旋桨的主要尺寸列于表1。

表1船舶和螺旋桨的主要尺寸。

垂直间距（LPP）

319.0 m

宽度（B）

60.0 m

草案（T）

21.0 m

螺旋桨直径（DP）

10.0 m

螺旋桨叶片数量（Z）

4

在船舶设计速度（VS）下，模型船比例为45.00，FN= 0.141，RNM= 7.305times;106。 FN和RN是VS和LPP的无量纲值。 下标M和S分别指模型和船级。

有效的CFD技术

这项研究并未涉及计算方法。 CFD数值方法的细节和公式是众所周知的，并在许多文献中被广泛记载。 因此，本文只介绍方法的主要特点。 细节可能会在中找到Choi等人 （2010年）。

控制方程是非定常湍流的连续性和Navier-Stokes方程。 这些方程用张量表示如下：

Ui  0

xi

(1)

UiU

Ui  p

（Uiuuu）

(2)

t  x

xi x x

哪里

i

Ui=（U，V，W）是中的速度分量

xi=（x，y，z）方向，而p，rho;，mu;和

  • uiu是静压，

流体密度，流体粘度和雷诺应力。

应用的湍流模型是雷诺应力模型。 自由表面被视为双体模型。 雷诺应力湍流模型适用于湍流闭合，因为该模型在预测舱底涡（日野，2005）。 计算是在牵引和自推进条件下进行的，并附有ESD。 滑动网格法被用来模拟操作螺旋桨周围的流动。 使用Fluent v.13。

已经开发出一种高效的CFD技术，以节省分析配备螺旋桨，方向舵和ESD的模型船周围的流量所需的计算时间。 如图1所示，使用了结合结构化和非结构化网格的混合网格系统。使用Pointwise结构化网格生成网格，非结构化网格使用Hypermesh生成网格。 为了验证使用混合网格系统的计算结果，在裸露船体的牵引条件下使用结构化网格系统。

  1. 结构化网格。 （b）混合电网。 图1网格类型的视图。

图2显示了螺旋桨平面上的轴向速度等值线和速度矢量。 速度分量通过模型船的速度进行无量纲化。 结构化和混合电网系统的尾流分数分别为0.450和0.462。 结构化和混合电网系统之间的边际误差约为3％。

    1. 结构化网格。 （b）混合电网。

图2使用结构化和混合网格系统的螺旋桨平面上的轴向速度等值线和速度矢量。

使用部分计算域来节省计算时间。 对通过改变入口边界平面绘制的解释的分析显示，St.10是最佳的入口边界平面。 计算域是从船中到船上

    1. LPP x方向，1.0 LPP y方向和z方向。 网格数为1,537,762，六面体为651,988，四面体为555,862，船体四周为329,913，四周为螺旋桨。 从船体和螺旋桨的第一个网格的平均空间是y = 80在墙坐标。 入口边界平面的值是从完整计算域的值中抽取的。 图3描述了考虑到螺旋桨几何形状，通过攻入局部区域和滑动网格方法，用于计算自航条件下的流量的网格和入口边界平面。

图3网格生成和入口边界平面的视图。

图4描述了螺旋桨推力与船体阻力之间的时间历程。 时间间隔为1o旋转，松弛因子为0.2，采用子迭代次数为45。 收敛1秒后获得。 网格单元的数量是300万。

图4自航计算下螺旋桨推力和船体粘滞阻力的时间历程。

图5显示了使用全部和部分区域的螺旋桨滑流的轴向速度等值线。 对于全部和部分域，尾流分数分别为0.096680和0.097703。 部分计算和完整计算之间的边际误差约为1％。

      1. 完整的域名。 （b）部分领域。

图5使用结构化和混合网格系统的螺旋桨平面上的轴向速度等值线和速度矢量。

计算由60个核心（2.67 GHz Xeon处理器）Linux群集完成。 采用混合网格和部分计算域将计算自我推进条件的持续时间从两天半减少到一天。

ESD的设计理念

ESD研究的目标是规避设备上的现有专利，并开发具有恒星推进性能的ESD。 为此，需要事先研究在裸船状态下螺旋桨平面上的流入速度分布，如图2所示。在目标船的上螺旋桨平面上存在大的舱底漩涡和低速区域。 在这种情况下，增强尾流的ESD是有效的，因为能量因螺旋桨的相对较大的扩大面积比率的摩擦而损失。

这项研究旨在开发一种装置，用于记录在通过螺旋桨时加速的动量损失的一部分能量以及在平静的水面上航行时螺旋桨滑流的涡流能量损失。 一种方法是在螺旋桨前部安装一个管道，以确保螺旋桨平面上的速度分布均匀。 如图6所示，该管道还用于通过产生来自收敛管道和箔效应的额外推力来减小船舶的阻力。

图6风管效应示意图。

图7描述了螺旋桨前后的速度矢量。 如图7（b）所示，作为减少螺旋桨滑流涡流能量损失的手段，使用流量控制翅片（或定子），该流量控制翅片（或定子）产生与螺旋桨流入方向相反的旋转流可能会附加。

（a）螺旋桨前方。 （b）螺旋桨后。 图7螺旋桨前后平面上的速度矢量。

形状像水翼的管道和鳍与尾流分布密切相关，存在最佳迎角（或alpha;）。 翅片的设计使得alpha;不变。 这已被命名为WAFon（尾流适应的流量控制翅片），带有管道的WAFon被命名为WAFon-D，如图8所示。

（a）WAFon。 （b）WAFon-D。

图8 WAFon和WAFon-D的视图。

VMSP和传递功率PDM=2pi;·nM·

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