风力助航船舶襟翼帆的设计研究

摘要

随着燃油成本的上涨和国际公约对船舶废气管控力度的加大，船舶利用风帆辅助航行凭借其成本低廉，绿色环保等优点获得了航运界和船舶工业界的关注。帆是风帆助航船舶的核心，决定了风帆助航船舶效率及控制策略。本文设计了一种襟翼式风帆，又称为风翼，通过计算流体力学(CFD)分析风翼参数对其的升阻力特性影响的规律，选择合适的风翼参数，提高助航效果，并对实际状态下的船舶存在控制误差和侧倾时的推力减额进行计算。
　　 本文首先分析了现代运输船舶利用风能的特点，得出了在逆风时提高风翼升力、增加升阻比是风翼的设计关键。因此本文根据飞机增升装置设计了风翼的气动形式，并通过选择合适的翼型参数，设计转帆和降帆机构使其适合船舶加装，并针对母型船“文竹海”号散货轮设计了风翼的主尺度。
　　 然后对CFD的网格参数和求解器参数进行了比较研究，得出了适合该问题求解的参数设置。基于CFD分别对风翼的缝翼参数和襟翼参数进行了研究，采用控制变量法对研究单个参数对风翼的升、阻力特性以及它们对推力的影响规律，得出合适的设计参数，根据CFD数值结果显示，最大推力系数达到了2.94，在10m/s相对风速下最大推力可达到130KN，在部分风向下动力性能优于其他种类的风帆形式，具有良好的推进效率。
　　 最后本文分析了在实际工作状态下，即存在迎角偏差、侧倾以及变风速时风翼的推力减额。计算结果得出偏差越大，侧倾角度越大，推力性能减少也越大。迎角偏差4度，侧倾5度造成的船舶推力减额约为6～8％，而风速对风翼的气动性能影响较小，可忽略不计。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外现状研究现状

1．3 研究目的与意义

1．4 本文的主要工作

第2章 襟翼帆的总体设计方案

2．1 风帆在大型远洋船舶上的应用要求

2．2 几种风帆形式的对比

2．2．1 翼型帆

2．2．2 动力帆

2．2．3 天帆

2．3 襟翼式风帆的设计

2．3．1 组合与收放方式

2．3．2 翼型选择

2．3．3 主尺度设计

2．4 本章小结

第3章 CFD数值方法及参数的影响研究

3．1 数学模型

3．1．1 基本控制方程

3．1．2 RANS方法

3．1．3 湍流模型

3．2 网格参数对计算结果的影响

3．2．1 网格拓扑

3．2．3 近壁面尺寸

3．2．2 边界层网格厚度

3．3 FLUENT中的相关参数设置对计算结果的影响

3．3．1 湍流模型

3．3．2 时间步长

3．4 本章小结

第4章 基于CFD的缝翼及襟翼参数对风翼性能影响研究

4．1 展弦比

4．2 缝翼参数

4．2．1 缝翼厚度

4．2．2 缝翼弦长

4．2．3 缝翼偏角

4．2．4 缝翼位移量

4．2．5 缝翼参数组合

4．3 襟翼参数

4．3．1 襟翼偏角

4．3．1 襟翼弦长

4．3．3 襟翼缝道宽度与搭接量

4．3．4 襟翼参数组合

4．4 本章小结

第5章 襟翼帆的实际工作特性分析

5．1 迎角偏差对风翼性能的影响

5．2 侧倾对风翼性能的影响

5．3 风速对风翼性能的影响

5．4 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

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