NACA半悬挂舵舵叶流场数值模拟及舵装置辅助设计

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。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章 引言

1.1背景

1.2船用舵简介

1.3国内外研究状况分析

1.4本文的主要工作

第2章舵叶流场数值模拟

2.1 FLUENT软件简介

2.1.1概述

2.1.2 FLUENT在舵流场数值模拟中的应用

2.2基本理论与数值方法

2.2.1控制方程

2.2.2湍流模型

2.2.3空间离散

2.2.4方程离散

2.3 Gambit建模与网格划分

2.4舵叶水动力计算

2.4.1计算模型及计算条件

2.4.2 FLUENT数值计算过程

2.4.3计算结果及分析

2.4.4展弦比、翼型剖面及雷诺数对舵叶水动力的影响

2.4.5小结

第3章基于VB的二次开发

3.1 AutoCAD二次开发

3.1.1 AutoCAD

3.1.2 VB与AutoCAD

3.2参数化设计

3.2.1参数化技术简介

3.2.2参数化绘图

3.3 Excel VBA技术

3.3.1 VB与Excel链接

3.3.2计算书的生成

第4章舵装置辅助设计研究

4.1舵设计要素

4.2舵设计与二次开发

4.2.1舵的参数化设计思路

4.2.2舵的参数化绘图

4.2.3舵设计计算书的生成

4.2.4舵设计程序的使用

第5章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果