基于精细流场测量的船舶水动力节能装置尺度效应研究

The Energy Efficiency Design Index （EEDI）for new building ships has been formally approved.The CO2 emissions limits of ship will become mandatory rules and regulations, and the research on energy saving and emission reduction of ship becomes more and more urgent.This project has a basic theoretical research on the scale effect, which is necessary to the powering performance forecast of energy-saving devices. The flow field of different reduced scale models will be experimental measured and numerical simulated by combining PIV system and CFD method.There are many factors which influence the scale effect of powering performance forecast of energy-saving devices, such as propulsion factor，effective wake and resistance of energy saving appendage，all of which will be studied on the mechanism.By means of the systematic research on the model wake characteristics and its changing trend following the model scale, microscopic wall structure and flow field parameters of energy-saving devices, and some other scientific problems, this project will build energy-saving devices models of different scale ratios and numerical simulation methods of flow field under the conditions of real scale and self-propulsion. Combined with testing rules proposed by ITTC, the guidance method of theoretical design and optimization of ship hydrodynamic energy-saving devices would be given, which based on the consideration of scale effect (before and after propeller).

随着新船能效设计指数（EEDI）的强制实施，船舶节能减排的研究变得越来越迫切。本项目拟对船舶附加水动力节能装置快速性预报中的尺度效应进行理论及实验研究。采用拖曳水池随车粒子图像测速技术（PIV）结合计算流体力学（CFD）方法，对影响水动力节能装置快速性预报尺度效应的几个主要因素（推进因子、实效伴流、节能附体阻力）进行机理研究。实验方面将对伴流特性及其随模型尺度的变化趋势、水动力节能装置微观条件下壁面结构及流场参数等问题进行系统研究；理论方面将建立小尺度雷诺数流场以及实尺度雷诺数流场的数值模拟方法，本项目还将进一步探讨完全相似理论在船舶阻力、自航状态流场数值计算中的应用，探讨基于小尺度雷诺数的实船节能装置尺度效应外推修正方案。结合国际拖曳水池会议（ITTC）提出的试验规程，给出基于尺度效应考虑的船舶水动力节能装置（桨前、桨后）理论设计及优化的指导性方法。

提高能量转化效率对于现今运输行业来说是一个刚需。从这方面来说，船舶推进器在海洋运输中扮演了一个非常关键的角色，因为它是决定船舶总体推进效率关键单元，提升船舶推进器的推进效率是减少燃油消耗和CO2排放的良好途径。在提升船舶推进效率的途径中，船舶附加水动力节能装置以安装方便、不影响总布置、节能效果好、回收成本快等优势，深受广大船东喜爱。但是因为水池模型试验存在尺度效应，现今并没有一个很好的外推方法能准确预报带有节能装置的船舶快速性，所以其真实节能效果也被船东所怀疑。本研究对两种典型的节能装置（导流鳍和舵附推力鳍）进行船舶快速性能研究，采用完全相似理论，获得实船雷诺数下的节能装置真实节能效果，同时采用试验方法和数值模拟分析了3个不同尺度的带有节能装置的船舶模型的快速性能，通过不同的换算方法分析节能装置的尺度效应问题，并比较了各种换算方法的优劣。本研究主要工作如下：.通过改变流体的运动粘性系数，使得模型和实船具有相同的雷诺数，这样的情况下模型是没有尺度效应的。对实船雷诺数数值计算进行了详细验证，分析了不同尺度下模型的阻力、流场等精细参数，证明了实船雷诺数数值计算适用于模型阻力和自航试验模拟。然后采用实船雷诺数模拟对裸船体、带有导流鳍以及带有舵附推力鳍的船体进行了阻力和自航模拟，通过流场等物理量分析了这些节能装置的节能机理，并得到了节能装置的实船节能效果。.进行了3个不同尺度的模型试验，包括模型阻力试验，螺旋桨敞水试验以及模型自航试验，同时在这些试验船体模型上加装了船舶水动力节能装置：导流鳍和舵附推力鳍。同时进行了精细流场测量试验，获得带与不带节能装置的船体和螺旋桨的精细流场，分析节能装置的节能机理，同时通过试验结果分析尺度效应产生的原因，并采取3种不同换算方法对结果进行外推换算，结果表明本研究提出的外推换算方法能有效的减小尺度效应。