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摆线推进器操纵过程中水动力及空化数值研究

摘要

近几十年来，随着大型船舶的发展，船舶机动性问题已成为被全世界所关注的问题，

特别是对于采用常规螺旋桨作为推进系统的船舶，低速条件下的机动性问题尤为突出。

为了解决这一问题，以摆线推进器、喷水推进器和吊舱推进器为代表的各种性能优异的

特种推进器被开发和应用。在这些操纵性能优异的特种推进器中，基于仿生设计理念的

摆线推进器的俯仰和升沉借鉴了海豚尾翼和鸟翼的摆动。船用摆线推进器将推进和转向

结合在一个单元中，在绝大多数应用场景中同时充当推进器和方向舵。凭借独特的运动

学机制，这种横流螺旋桨系统可以向船舶提供全向目标推力。这使得船舶可以消除多余

的转向装置，例如舵，以优化船体模型的设计。由于其精确和安全的操纵，摆线推进器

是解决水面舰艇机动性问题的一个有前途的方案。然而，摆线推进器优越的机动性体现

在通过调整偏心点可以从零到最大在任何方向上产生推力和转向力。因此，摆线推进器

偏心点四象限位置的流体动力学对其工程应用具有重要价值。为此，本文的研究内容主

要聚焦在了摆线推进器操纵过程中的四象限水动力性能及空化特性。本文主要内容如下：

1、首先，阐述了课题的研究背景和意义，总结了国内外摆线推进器水动力性能的研

究进展，尤其是计算流体力学方法在摆线推进器水动力性能研究领域的应用。此外，还

总结了空化相关的研究进展。

2、介绍了摆线推进器水动力性能和空化特性研究所涉及到的数值方法和物理模型。

对湍流模型进行了收敛性分析。最后，阐述了摆线推进器的工作原理，给出了评价摆线

推进器水动力性能的无量纲公式。

3、建立了摆线推进器的二维数值模型，并通过广泛的收敛性分析和实验验证保证

了数值方法的可靠性。凭借偏心点的运动方程，实现了偏心点在两个自由度(径向和周向)

上的连续运动。研究了偏心率与方位角影响摆线推进器推力的潜在机制，并对流场细节

进行了分析。

4、建立了一个准确高效的三维半叶片模型，关注了复杂机械结构引起的水动力损

失，并且分析了转动圆盘对高负载摆线推进器水动力性能的影响。在此基础上，采用雷

诺平均Navier-Stokes(RANS)求解器模拟了摆线推进器在全方位角下的操纵性能，并对

其水动力载荷和流场特性进行了详细分析。

5、为了研究摆线推进器操纵时的稳态四象限空化特性，建立了一个带圆盘的全叶

片模型。基于Schnerr-Sauer空化模型，首先分析了方位角φ0°时的空化周期性演化规

哈尔滨工程大学硕士学位论文

律。在此基础上，研究着眼于偏心点四象限位置的空化特性，着重讨论了斜流工况条件

下空泡形态的非定常演化影响摆线推进器推力波动的机制。

关键词：摆线推进器；偏心点；方位角；水动力性能；空化特性

摆线推进器操纵过程中水动力及空化数值研究

Abstract

Withthedevelopmentoflarge-scaleshipsinthepastfewdecades,theissueof

maneuverabilityhasbeenaworldwideconcern,especiallyforshipswithconventional

propellersasthepropulsionsystem,theproblemofmaneuverabilityunderlow-speed

conditionsisparticularlyprominent.Toovercomethisbarrier,alargenumberofspecial

thrusterswithexcellentperformancerepresentedbycycloidalpropellers,waterjetpropulsors,

andpoddedpropulsorshavebeendevelopedandapplied.Amongthesespecialthrustersw