CN111079286A - 一种层冰工况船舶推力减额分数数值估计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的是一种层冰工况船舶推力减额分数数值估计方法。一、基于目标船舶开展裸船体的水阻力数值模拟，采集不同航速下的裸船体的水阻力。二、基于目标船舶开展船后自航数值模拟，采集不同航速、转速下的水阻力、螺旋桨有效推力以及扭矩。通过推力减额定义求解出船舶水中的推力减额。三、通过带附着冰的目标船自航模型开展船后自航模拟，采集不同航速、转速下的水阻力、螺旋桨有效推力以及扭矩。基于有效推力的差额来完成冰中的推力减额，求得冰水中的推力减额分数。该方法考虑了冰对伴流场的影响以及冰对螺旋桨的阻塞作用，忽视了碎冰与桨直接接触的影响，可以有效解决目前采用常规船舶计算推力减额方法误差较大的问题。

Description

一种层冰工况船舶推力减额分数数值估计方法

技术领域

本发明涉及的是一种及冰区船舶性能预报方法，具体地说是一种层冰下船舶推力减额估计方法。

背景技术

层冰工况是极地船舶航行主要工况之一。自然条件形成的层冰是极地航行中常见的情形。极地船舶遭遇层冰时，会产生较大的冰载荷，使得极地船舶的推进性能的研究不同于常规船舶的研究方法。

在常规船舶拖曳试验中，船舶的牵引力与裸船体阻力相平衡。而在常规船舶自航试验中，船舶的总推力与裸船体阻力、船桨相互作用下阻力增值相平衡。其中阻力增值的物理起源是由于螺旋桨转动导致其前后的流体加速流动，导致边界层的剪切速率增加，船体后部的压力降低(前进模式)。类似于常规船舶自航试验，在覆冰水域航行，船舶自航条件可表示为：船舶的总推力与裸船体水阻力、裸船体冰阻力、以及船体、螺旋桨、水流和冰之间的相互作用引起的船体增阻。相比于常规船舶。冰的存在导致了额外的冰-船、冰-桨、以及冰-水之间的相互作用。其中冰-船的相互作用导致的是冰阻力的大幅度增加；冰-桨的作用表现为大块船底碎冰对螺旋桨的阻塞作用以及小块船底碎冰与桨的直接接触。而冰-水的相互作用表现为附着在船体底部的碎冰随着船体不断向前，流向船艉，导致原本不受螺旋桨影响区域的伴流场改变，从而影响推进性能。

针对层冰区极地船舶航行性能的研究，主要依赖于模型试验以及早期的实船数据，限于现阶段的数值手段，想要采用数值模拟方法实现层冰条件下对推力减额的估算十分困难，原因在于直接实现层冰条件下对推力减额的估算涉及船-冰-桨-流多相耦合，作用机理十分复杂。有研究者会直接采用常规船舶的推力减额计算方法来完成极地船舶的推力减额估算方法，误差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精度高的层冰工况船舶推力减额分数数值估计方法。

本发明的目的是这样实现的：

步骤1，输入目标船舶裸船体实尺度模型并进行网格划分、流体域设置，建立裸船体数值计算模型；设置不同航速的工况，进行数值计算，得到基于裸船体的水阻力；

步骤2，输入目标船舶自航实尺度模型并采用与步骤1相同的网格大小进行划分、相同的流体域进行设置，建立自航数值计算模型；设置不同航速、转速的工况，进行数值计算，得到自航模型的水阻力、推力以及扭矩；

步骤3，输入目标船舶带附着冰的自航实尺度模型并采用与步骤一相同的网格大小进行划分、相同的流体域进行设置，建立带附着冰的自航数值计算模型；设置不同航速、转速的工况，进行模型计算，得到层冰工况下典型时刻的带有附着冰自航模型的水阻力、推力以及扭矩；

步骤4，依据裸船体的水阻力以及自航模型的水阻力按照推力减额定义求解水中的推力减额；

步骤5，依据带有附着冰的自航模拟结果得到的有效推力以及不带附着冰的自航模拟结果得到的有效推力的差额，将该部分差额作为冰中的推力减额；

步骤6，利用冰中的推力减额和水中的推力减额得到层冰工况下不同航速、转速的推力减额分数。

为了克服采用数值方法求解层冰工况下推力减额分数困难问题，以及采用常规船舶推力减额误差较大的问题。本发明提出了一种层冰工况下考虑附着冰对伴流场的作用以及冰块对推进器的阻塞作用的船舶推力减额分数数值估算方法。为了估算极地船舶的推进减额分数，本发明是一种考虑冰对伴流场的作用、以及冰对桨的阻塞作用的层冰工况下推力减额估算方法。将冰中推力减额增值和水中推力减额增值单独求解，再将其叠加，实现层冰工况下的极地船舶推力减额的估算工作，该方法对于估算极地船舶推进性能、以及估算船舶破冰能力具有重要的意义。

本发明的特点包括：

将冰水介质下船舶的推力减额复杂问题分解为简单的冰中推力减额计算问题以及水中推力减额的计算问题，实现将船舶冰区自航模拟的复杂问题转化成带有层冰特征的常规船舶自航模拟问题。

估算层冰下船舶推力减额，将冰和水分离，采用裸船体模型、自航模型、以及带附着冰的自航模型来计算估算层冰下的船舶推力减额系数。

可结合模型层冰试验工况下，典型船-冰位置状态图片，来反演船舶推力减额数值估算工作。同时，可设定等间距的船底附着冰自航模型完成船舶推力减额估算工作。

与现有方法相比，本发明的有益效果是：通过带附着冰和不带附着冰的自航模型，考虑了冰的对于伴流场的影响以及冰对桨的阻塞作用，最终形成跟贴近于实际层冰工况下的推力减额数值估算方法。

附图说明

图1是本发明流程图。

图2a-图2c是裸船体实尺度模型图，其中：图2a为主视图；图2b为仰视图；图2c为左视图。

图3a-图3c是目标船自航实尺度模型(不带附着冰)图，其中：图3a为主视图；图3b为仰视图；图3c为左视图。

图4a-图4c是目标船自航实尺度模型(带附着冰)图，其中：图4a为主视图；图4b为仰视图；图4c为左视图。

具体实施方式

下面举例对本发明做更详细的描述。

结合图1，本发明的层冰工况船舶推力减额分数数值估计方法的具体过程是：

步骤1，提供目标船舶裸船体实尺度模型，并对模型进行网格划分、流体域设置，建立裸船体数值计算模型。设置不同航速的计算工况，开展数值计算，得到基于裸船体的水阻力。

步骤2，提供目标船舶自航实尺度模型，并对自航模型采用与步骤一相同的网格大小进行划分、相同的流体域进行设置，建立自航数值计算模型。设置不同航速、转速的计算工况，开展数值计算，得到自航模型的水阻力、推力以及扭矩。

步骤3，提供目标船舶带附着冰的自航实尺度模型，并对带附着冰的自航模型采用与步骤一相同的网格大小进行划分、相同的流体域进行设置，建立带附着冰的自航数值计算模型。设置不同航速、转速的计算工况，开展模型计算，得到层冰工况下典型时刻的带有附着冰自航模型的水阻力、推力以及扭矩。

步骤4，依据裸船体的水阻力以及自航模型的水阻力按照推力减额定义求解水中的推力减额。

步骤5，依据带有附着冰的自航模拟结果得到的有效推力以及不带附着冰的自航模拟结果得到的有效推力的差额，该部分差额产生的原因在于：附着冰对伴流场的影响、以及冰块对螺旋桨的阻塞作用。将该部分差额作为冰中的推力减额。

步骤6，利用冰中的推力减额和水中的推力减额可求得层冰工况下不同航速、转速的推力减额分数。

本发明可以采用多种商用软件实现本发明提出的推力减额估算方法，本实施例利用STAR-CCM商用软件模拟提出的层冰工况下推力减额数值估算方法。本实例带附着冰的自航模型，不限于图中形式，可依据船舶实际情况建立相应的带附着冰的模型。

一种层冰工况船舶推力减额分数数值估算方法流程图如图1所示。图2是裸船体实尺度模型。图3是目标船自航实尺度模型(不带附着冰)。图4是目标船自航实尺度模型(带附着冰)。

Claims (1)

1.一种层冰工况船舶推力减额分数数值估计方法，其特征是：

步骤1，输入目标船舶裸船体实尺度模型并进行网格划分、流体域设置，建立裸船体数值计算模型；设置不同航速的工况，进行数值计算，得到基于裸船体的水阻力；

步骤2，输入目标船舶自航实尺度模型并采用与步骤1相同的网格大小进行划分、相同的流体域进行设置，建立自航数值计算模型；设置不同航速、转速的工况，进行数值计算，得到自航模型的水阻力、推力以及扭矩；

步骤3，输入目标船舶带附着冰的自航实尺度模型并采用与步骤一相同的网格大小进行划分、相同的流体域进行设置，建立带附着冰的自航数值计算模型；设置不同航速、转速的工况，进行模型计算，得到层冰工况下典型时刻的带有附着冰自航模型的水阻力、推力以及扭矩；

步骤4，依据裸船体的水阻力以及自航模型的水阻力按照推力减额定义求解水中的推力减额；

步骤5，依据带有附着冰的自航模拟结果得到的有效推力以及不带附着冰的自航模拟结果得到的有效推力的差额，将该部分差额作为冰中的推力减额；

步骤6，利用冰中的推力减额和水中的推力减额得到层冰工况下不同航速、转速的推力减额分数。

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