毕业设计（论文）渡船船体生产设计

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1、江苏科技大学本科毕业设计论文1目录目录第一章第一章 绪论绪论 .3 31.1 概述 .31.2 渡船的发展前景 .31.3 渡船发展存在的问题 .41.4 FLUENT概述 .41.5 FLUENT特点 .51.6 网格技术，数值技术，并行计算 .61.7 FLUENT的湍流模型 .61.8 动态和移动网格 .61.9 传热、相变、辐射模型 .71.10 化学反应模型 .71.11 多相流模型 .81.12 前处理和后处理 .81.13 定制工具 .8第二章第二章 总体方案构思与主尺度的选择总体方案构思与主尺度的选择 .10102.1 概述 .102.2 船舶主要要素的确定 .102.3 船型

2、主尺度与船型系数的分析选择 .102.4 船长 L 的选择 .102.5 船宽 B 的选择 .102.6 型深 D .112.7 吃水D.112.8 本章小结 .11第三章第三章 阻力计算阻力计算 .12123.1 艾亚法概述 .123.2 艾亚法的基本思想 .123.3 艾亚法的适用范围： .123.4 艾亚法计算阻力步骤 .133.5 艾亚法有效马力估算过程 .133.6 艾亚法的不足之处 .15第四章第四章 螺旋桨设计螺旋桨设计 .16164.1 概述 .164.2 设计螺旋桨时应考虑的问题 .164.2.1 螺旋桨的数目.16江苏科技大学本科毕业设计论文24.2.2 螺旋桨的直径.16

3、4.2.3 螺旋桨的叶数.164.2.4 螺旋桨的转速.174.3 船体主要参数 .174.4 主机参数 .174.5 推进因子的确定 .174.6 可以达到最大航速的计算 .184.7 空泡校核 .204.8 强度校核.224.9 螺距修正.234.10 重量及惯性矩的计算.244.10.1 螺旋桨重量 .244.10.2 螺旋桨惯性矩计算 .244.10.3 敞水性征曲线之确定 .244.10.4 系住特性计算 .254.10.5 航行特性计算 .264.11 本章小结 .28第五章第五章 CFDCFD 软件的计算软件的计算 .29295.1 计算流体力学常用数值方法 .295.1.1 有

4、限差分法 .295.1.2 有限元法 .295.1.3 边界元法 .305.1.4 有限体积法 .305.1.5 有限分析法 .315.2 运用FLUENT计算 .325.2.1 导入模型 .325.2.2 创建分割面.325.2.3 移动分割面到水线面.335.2.4 分割船体面.345.2.5 修改网格背景 .355.2.6 运用函数 .365.2.7 网格的面.375.2.8 默认设置边界层的角度.385.2.9 修改后的网格图.395.2.10 应用三维边界层的船体.405.2.11 生成三位边界分层.415.2.12 三维边界层角度.425.2.13 网格的流量.43结结 语语 .4

5、646致致 谢谢 .4747参考文献参考文献 .4848江苏科技大学本科毕业设计论文3第一章第一章 绪论绪论1.11.1 概述概述我国地域广阔、海岸线长，江河流域面积广，具有发展水上运输的优越条件而且要最大化的应用好这些有利条件来促进我们社会和经济的发展。近年以来，我国的航海事业和造船事业获得了突飞猛进的发展，长江三角区的船舶事业更是欣欣向荣，江苏省南通市一些船厂已经初具规模，上海的沪东中华和江南造船更是蓬勃发展，建立了初具规模的沿海和远洋船队，担负了国内外繁重的任务。中国在亚丁湾海域与海盗的斗争体现了我国船舶事业的发展情况。然而，我国造船工业与国外先进国家如韩国和日本，还有一些差距，并且经济

6、的迅速发展，社会对于船舶的要求也是越来越高。渡船是往返于江河渡口、海峡、岛屿之间从事短途旅客或货物运输的船舶。水路运输有其特殊的优势，在路程较远的情况下，水路运输相比公路运输和铁路运输相比更经济、更省时、更方便，而且运输量也较大。随着生活水平的提高，水运客流量较大，因此对于对江渡船有了更多的需求。客船的发展大大方便了旅客运输，促进了市场流通，提高了竞争能力，展示了水路客运的优势。客船由于受到航道、港口条件的限制以及航程、续航力、装载人员等方面的综合考虑，要求和规范比较多。市场要求造出更高规格、更方便更实用的渡船来满足其不断扩大的需要。1.21.2 渡船的发展前景渡船的发展前景载运旅客、车辆度过

7、江河、湖泊、海峡的船。有旅客渡船、列车渡船、汽车渡船和新型的铁路联络船。旅客渡船一般用于运送旅客及其随身携带的物品，有的同时运送非机动车和小型机动车辆，设有坐席。列车渡船专用运送列车，它的甲板呈长方形，上铺轨道。船的首位形状相同，列车可以从两端进出。船的两端都有舵和推进器，航行时不需要调头。列车上下渡船要经过栈桥。在较宽的海峡上摆渡的列车渡船要有较好的耐波性，因而首位与常规船相似，列车从船尾端上下渡船。20世纪 50 年代以来，由于连接铁路的大跨度桥梁和水下铁路隧道的大量出现，列车渡船逐渐被淘汰，所留者为数不多。汽车渡船用于运送汽车，有端靠式和侧靠式两种，前者首尾相同，甲板呈长方形，两端设有吊

8、架和带铰链的跳板，汽车通过跳板上下渡船，后者船比较宽大，汽车可通过码头上的跳板从两侧上下渡船。铁路联络船由日本于 1964 年在传统的列车渡船的基础上研制出来，是在与列车的旅客渡过江苏科技大学本科毕业设计论文4海峡的多用途船。船有常规海船的首位，船的下层铺有轨道，用于停放列车，列车由船尾上下船。船上有上层建筑，可供旅客和列车乘务员在数小时的渡海航程中活动或休息。1983 年在瑞典特雷勒堡到德国萨斯尼茨的传统渡船航线上，也开始采用这种新型渡船。1.31.3 渡船发展存在的问题渡船发展存在的问题中国车客渡船产业发展出现的问题中，许多情况不容乐观，如产业结构不合理、产业集中于劳动力密集型产品；技术密

9、集型产品明显落后于发达工业国家；生产要素决定性作用正在削弱；产业能源消耗大、产出率低、环境污染严重、对自然资源破坏力大；企业总体规模偏小、技术创新能力薄弱、管理水平落后等。 从什么角度分析中国车客渡船产业的发展状况？以什么方式评价中国车客渡船产业的发展程度？中国车客渡船产业的发展定位和前景是什么？中国车客渡船产业发展与当前经济热点问题关联度如何 诸如此类，都是车客渡船产业发展必须面对和解决的问题 中国车客渡船产业发展已到了岔口；中国车客渡船产业生产企业急需选择发展方向。 中国车客渡船产业发展研究报告阐述了世界车客渡船产业的发展历程，分析了中国车客渡船产业发展现状与差距，开创性地提出了“新型车客

10、渡船产业 ” 及替代品产业概念，在此基础上，从四个维度即 “以人为本”、“科技创新”、“环境友好”和“面向未来”准确地界定了 “新型车客渡船产业 ” 及替代产品的内涵。根据“新型车客渡船产业 ” 及替代品的评价体系和量化指标体系，从全新的角度对中国车客渡船产业发展进行了推演和精准预测，在此基础上，对中国的行政区划和四大都市圈的车客渡船产业发展进行了全面的研究。1.41.4 FluentFluent 概述概述世界计算流体动力学软件与服务领域领先的 Fluent 公司发布的 CFD 软件最新版本，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动，在流体建模中广泛的被应用。v6.3 版拥有 300 个

11、新功能以扩充 CFD 软件在所有工业领域的应用范围。Fluent 是通用的 CFD 软件，用来模拟从不可压缩到高度可压缩范围内的复杂流动。由于采用了多种求解方法和多重网格加速收敛技术，因而 FLUENT 能达到最佳的收敛速度和求解精度。灵活的非结构化网格和基于解算的自适应网格技术及成熟的物理模型，使 FLUENT 在层流、转捩和湍流、传热、化学反应、多相流、多孔介质等方面有广泛应江苏科技大学本科毕业设计论文5用。想起 CFD，人们总会想起 FLUENT，丰富的物理模型使其应用广泛，从机翼空气流动到熔炉燃烧，从鼓泡塔到玻璃制造，从血液流动到半导体生产，从洁净室到污水处理工厂的设计，另外软件强大的

12、模拟能力还扩展了在旋转机械，气动噪声，内燃机和多相流系统等领域的应用。今天，全球数以千计的公司得益于 FLUENT 的这一工程设计与分析软件，它在多物理场方面的模拟能力使其应用范围非常广泛，是目前功能最全的 CFD 软件。FLUENT 因其用户界面友好，算法健壮，新用户容易上手等优点一直在用户中有着良好的口碑。长期以来，功能强大的模块，易用性和专业的技术支持所有这些因素使得 FLUENT 受到企业的青睐。1.51.5 FluentFluent 特点特点1FLUENT 软件采用基于完全非结构化网格的有限体积法，而且具有基于网格节点和网格单元的梯度算法；运用定常/非定常流动模拟，而且新增快速非定常

13、模拟功能。2 FLUENT 软件中的动/变形网格技术主要解决边界运动的问题，用户只需指定初始网格和运动壁面的边界条件，余下的网格变化完全由解算器自动生 成。网格变形方式有三种：弹簧压缩式、动态铺层式以及局部网格重生式。其局部网格重生式是FLUENT 所独有的，而且用途广泛，可用于非结构网格、变形较大问题以及物体运动规律事先不知道而完全由流动所产生的力所决定的问题；4 FLUENT 软件具有强大的网格支持能力，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形网格以及滑动网格等。值得强调的是，FLUENT 软件还拥有多种基于解的网格的自适应、动态自适应技术以及动网格与网格动态自适应相结合的技术；5 FLU

14、ENT 软件包含三种算法：非耦合隐式算法、耦合显式算法、耦合隐式算法，是商用软件中最多的；并且包含丰富而先进的物理模型，使得用户能够精确地模拟无粘流、层流、湍流。湍流模型包含 Spalart-Allmaras 模型、k- 模型组、k- 模型组、雷诺应力模型(RSM)组、大涡模拟模型(LES)组以及最新的分离涡模拟(DES)和 V2F 模型等。另外用户还可以定制或添加自己的湍流模型， 适用于牛顿流体、非牛顿流体；含有强制/自然/混合对流的热传导，固体/流体的热传导、辐射，化学组份的混合/反应。6 惯性或非惯性坐标系，复数基准坐标系及滑移网格；动静翼相互作用模型化后的接续界面；基于精细流场解算的预

15、测流体噪声的声学模型；质量、动量、热、化学组江苏科技大学本科毕业设计论文6份的体积源项；丰富的物性参数的数据库；磁流体模块主要模拟电磁场和导电流体之间的相互作用问题；连续纤维模块主要模拟纤维和气体流动之间的动量、质量以及热的交换问题；7 高效率的并行计算功能，提供多种自动/手动分区算法；内置 MPI 并行机制大幅度提高并行效率。另外，FLUENT 特有动态负载平衡功能，确保全局高效并行计算；8FLUENT 软件提供了友好的用户界面，并为用户提供了二次开发接口（UDF） ；9 FLUENT 软件采用 C/C+语言编写，从而大大提高了对计算机内存的利用率。1 1. .6 6 网格技术，数值技术，并

16、行计算网格技术，数值技术，并行计算计算网格是任何 CFD 计算的核心，它通常把计算域划分为几千甚至几百万个单元，在单元上计算并存储求解变量，FLUENT 使用非结构化网格技术，这就意味着可以有各种各样的网格单元：二维的四边形和三角形单元，三维的四面体核心单元、六面体核心单元、棱柱和多面体单元。这些网格可以使用 FLUENT 的前处理软件 GAMBIT 自动生成，也可以选择在 ICEM CFD 工具中生成。在目前的 CFD 市场， FLUENT 以其在非结构网格的基础上提供丰富物理模型而著称，久经考验的数值算法和鲁棒性极好的求解器保证了计算结果的精度，新的 NITA 算法大大减少了求解瞬态问题的

17、所需时间，成熟的并行计算能力适用于 NT，Linux 或 Unix 平台，而且既适用单机的多处理器又适用网络联接的多台机器。动态加载平衡功能自动监测并分析并行性能，通过调整各处理器间的网格分配平衡各 CPU 的计算负载。1.71.7 FluentFluent 的湍流模型的湍流模型FLUENT 的湍流模型一直处于商业 CFD 软件的前沿，它提供的丰富的湍流模型中有经常使用到的湍流模型、针对强旋流和各相异性流的雷诺应力模型等，随着计算机能力的显著提高，FLUENT 已经将大涡模拟（LES）纳入其标准模块，并且开发了更加高效的分离涡模型（DES），FLUENT 提供的壁面函数和加强壁面处理的方法可以

18、很好地处理壁面附近的流动问题。1.81.8 动态和移动网格动态和移动网格内燃机、阀门、弹体投放和火箭发射都是包含有运动部件的例子，FLUENT 提供的动网格模型满足这些具有挑战性的应用需求。它提供几种网格重构方案，根据需要用于同一模型中的不同运动部件，仅需要定义初始网格和边界运动。动网格与 FLUENT提供的其他模型如雾化模型、燃烧模型、多相流模型、自由表面预测模型和可压缩流江苏科技大学本科毕业设计论文7模型相兼容。搅拌槽、泵、涡轮机械中的周期性运动可以使用 FLUENT 中的动网格模型（moving mesh）进行模拟，滑移网格和多参考坐标系模型被证实非常可靠，并和其他相关模型如 LES 模

19、型、化学反应模型和多相流等有很好的兼容性。1.91.9 传热、相变、辐射模型传热、相变、辐射模型许多流体流动伴随传热现象，FLUENT 提供一系列应用广泛的对流、热传导及辐射模型。对于热辐射，P1 和 Rossland 模型适用于介质光学厚度较大的环境，基于角系数的 surface to surface 模型适用于介质不参与辐射的情况，DO 模型（Discrete ordinates）适用于包括玻璃的任何介质。DTRM 模型（Discrete ray tracing module）也同样适用。太阳辐射模型使用光线追踪算法，包含了一个光照计算器，它允许光照和阴影面积的可视化，这使得气候控制的模拟

20、更加有意义。其他与传热紧密相关的汽蚀模型、可压缩流体模型、热交换器模型、壳导热模型、真实气体模型、和湿蒸汽模型。相变模型可以追踪分析流体的融化和凝固。离散相模型（DPM）可用于液滴和湿粒子的蒸发及煤的液化。易懂的附加源项和完备的热边界条件使得 FLUENT 的传热模型成为满足各种模拟需要的成熟可靠的工具。1.101.10 化学反应模型化学反应模型化学反应模型，尤其是湍流状态下的化学反应模型在 FLUENT 软件中自其诞生以来一直占着很重要的地位，多年来，FLUENT 强大的化学反应模拟能力帮助工程师完成了对各种复杂燃烧过程的模拟。涡耗散概念、PDF 转换以及有限速率化学模型已经加入到FLUEN

21、T 的主要模型中 ：涡耗散模型、均衡混合颗粒模型，小火焰模型以及模拟大量气体燃烧，煤燃烧、液体燃料燃烧的预混合模型。预测 NOx 生成的模型也被广泛的应用与定制。许多工业应用中涉及发生在固体表面的化学反应，FLUENT 表面反应模型可以用来分析气体和表面组分之间的化学反应及不同表面组分之间的化学反应，以确保表面沉积和蚀刻现象被准确预测。对催化转化、气体重整、污染物控制装置及半导体制造等的模拟都受益于这一技术。FLUENT 的化学反应模型可以和大涡模拟（DES）及分离涡（DES）湍流模型联合使用，这些非稳态湍流模型耦合到化学反应模型中，我们才有可能预测火焰稳定性及燃尽特性。江苏科技大学本科毕业设

22、计论文81.111.11 多相流模型多相流模型多相流混合物广泛应用于工业中，FLUENT 软件是在多相流建模方面的领导者，其丰富的模拟能力可以帮助工程师洞察设备内那些难以探测的现象，Eulerian 多相流模型通过分 别求解各相的流动方程的方法分析相互渗透的各种流体或各相流体，对于颗粒相流体采用特殊的物理模型进行模拟。很多情况下，占用资源较少的的混合模型也用来模拟颗粒相与非颗粒相的混合。FLUENT 可用来模拟三相混合流（液、颗粒、气），如泥浆气泡柱和喷淋床的模拟。可以模拟相间传热和相间传质的流动，使得对均相及非均相的模拟成为可能。FLUENT 标准模块中还包括许多其他的多相流模型，对于其他的

23、一些多相流流动，如喷雾干燥器、煤粉高炉、液体燃料喷雾，可以使用离散相模型（DPM）。射入的粒子，泡沫及液滴与背景流之间进行发生热、质量及动量的交换。VOF 模型（Volume of Fluid）可以用于对界面的预测比较感兴趣的自由表面流动，如海浪。汽蚀模型已被证实可以很好的应用到水翼艇、泵及燃料喷雾器的模拟。沸腾现象可以很容易地通过用户自定义函数实现。1.121.12 前处理和后处理前处理和后处理FLUENT 提供专门的工具用来生成几何模型及网格创建。GAMBIT 允许用户使用基本的几何构建工具创建几何，它也可用来导入 CAD 文件，然后修正几何以便于 CFD 分析，为了方便灵活的生成网格，F

24、LUENT 还提供了 TGrid，这是一种采用最新技术的体网格生成工具。这两款软件都具有自动划分网格及通过边界层技术、非均匀网格尺寸函数及六面体为核心的网格技术快速生成混合网格的功能。对于涡轮机械，可以使用G/Turbo，熟悉的术语及参数化的模板可以帮助用户快速的完成几何的创建及网格的划分。FLUENT 的后处理可以生成有实际意义的图片、动画、报告，这使得 CFD 的结果非常容易地被转换成工程师和其他人员可以理解的图形，表面渲染、迹线追踪仅是该工具的几个特征却使 FLUENT 的后处理功能独树一帜。FLUENT 的数据结果还可以导入到第三方的图形处理软件或者 CAE 软件进行进一步的分析。江苏

25、科技大学本科毕业设计论文91.131.13 定制工具定制工具用户自定义函数在用户定制 FLUENT 时很受欢迎。功能强大的资料库和大量的指南提供了全方位的技术支持。FLUENT 的全球咨询网络可以提供或帮助创建任何类型装备设施的平台，比如旋风分离器、汽车 HVAC 系统和熔炉。另外，一些附加应用模块，比如质子交换膜（PEM）、固体氧化物燃料电池、磁流体、连续光纤拉制等模块已经投入使用。江苏科技大学本科毕业设计论文10第二章第二章 总体方案构思与主尺度的选择总体方案构思与主尺度的选择2.12.1 概述概述总体设计方案构思是船舶设计过程中的一个重要环节，是一项基础性的工作。它对设计工作顺利进行和保

26、证船舶设计质量有重要意义。本阶段的设计过程主要是考虑和初步选择主尺度 L，B，d，D，Cb等由设计技术任务书分析知本船航行的区域为 A 级航区。要综合在 A 级航区条件下考虑总布置、阻力、操纵性及船价等多方面因素，使船的各方面都符合经济性、快速性、稳性、耐波性的要求。2.22.2 船舶主要要素的确定船舶主要要素的确定 确定船舶主要要素应满足船舶设计的理论和实践，船舶主要要素的确定必须满足如下的基本要求：2.21、满足浮力要求，即设计船在设计吃水时的浮力应等于设计排水量（LW+DW） ；2.22、满足容量要求，即满足设计船所需的舱容和甲板面积；2.23、满足设计船的各项技术性能，包括快速性、稳性

27、、耐波性、操纵性和强度等；2.24、满足设计任务书的使用要求；2.25、满足客观条件（如航区，港口）对设计船的主要要素的限制；2.26、努力提高设计船的经济性。2.32.3 船型主尺度与船型系数的分析选择船型主尺度与船型系数的分析选择船舶主要要素受到一系列因素的影响，如航道，港口对主要要素的限制，船舶的各项经济技术性能，使用要求对主要要素的选择也有重大影响，因此，选取船舶主要要素是必须对影响其选择的各种因素进行综合分析5。船舶初始设计阶段，必须选取的主要要素是船长 L，船宽 B，型深 D，吃水 d 和方形系数 Cb。2.42.4 船长船长 L L 的选择的选择本设计渡船的设计水线长为 20m，

28、从布置、操纵性等方面考虑，总船长 L=22m。江苏科技大学本科毕业设计论文112.52.5 船宽船宽 B B 的选择的选择船宽 B 的选择，由乘客的座椅尺寸，及通道宽度决定，经过多次修改，最终确定。座椅尺寸为 0.4m*0.4m，每排六座， ；客舱通道 1.02m；舷侧外通道 2*0.7m；由此，修改后确定本船的型宽 B 为 5m。2.62.6 型深型深 D D选择型深 D 应考虑舱容与总布置、稳性、甲板上浪与抗沉性、强度与经济性等因素。本次渡船设计中型深的选取，除满足规范对 L/D 和 B/D 的要求外，对于布置地位型船，按总布置选取 D，分析选择 D=1.7m。2.72.7 吃水吃水 d

29、d选取吃水 d 时考虑了任务书主尺度限制、浮力、快速性和经济性等多方面因素。本次渡轮设计，选取吃水 d 时主要考虑的是推进效率，尽可能取满足要求的最大吃水，最终选取 d=0.9m。2.82.8 本章小结本章小结船长 22 米设计水线长 20 米船宽 5 米型深 1.7 米吃水 0.9 米本章主要是总体方案构思与主尺度的选择。在主尺度选择中，综合考虑了浮性、稳性、经济性、快速性等船舶性能的各个方面，结合所设计船的特点来考虑。由于是客船，属于布置地位型船，所以应较多的考虑甲板面积和各种舱室的布置，对载重量相对要求较少。江苏科技大学本科毕业设计论文12第三章第三章 阻力计算阻力计算3.13.1 艾亚

30、法概述艾亚法概述艾亚曾分析大量船模和实船实验结果，并绘制了用于阻力计算的曲线图表，其适用范围较广，一般对于中、低速船比较适用，也可用于正常的海洋拖轮，但对于近代高速船和大型丰满船型，此法可能偏差较大。由于我做的是 20 米船，船型较小，船速较低，所以我选用艾亚法来进行船舶的阻力计算。按照艾亚法估算得到的是公制有效效率，其数值中包含了单桨船通常具有的舭龙骨、舵等船体阻力以及一般货船的空气阻力，合计约占裸船体阻力的 8%。所以对双桨或舵浆船的阻力和高大上层建筑的空气阻力应另加修正。此方法根据船模试验以及实船适航结果统计归纳得出。3.23.2 艾亚法的基本思想艾亚法的基本思想艾亚法首先针对标准船型直

31、接估算有效功率，然后根据设计船与标准船型之间的差异逐一修正，最后得出设计船的有效功率值。艾亚法标准船型的相应参数为：（1）标准方形系数 Cbc，可用下列公式表示单桨船 Cbc=1.08-1.68Fr 双桨船 Cbc=1.09-1.68 Fr 式中：Fr傅汝德数(2) 标准宽度吃水比 B/T=2.0(3) 标准水线长 Lwl=1.025Lbp(4) 标准船型 高举式椭圆型尾的船舶。(5) 标准浮心纵向位置 Xc，查表；3.33.3 艾亚法的适用范围：艾亚法的适用范围：艾亚法一般对于中、低速商船比较适用，也可用于正常尺度的海洋拖轮，但对于近代高速商船和大型丰满船型，此法可能偏差较大。在内河船中艾亚

32、法应用范围亦很广，客轮、客货船、油轮、拖轮、艇等各类船舶中均有应用。 ，内河船应用艾亚法求得的有效马力一般还需加 10-20%的余裕。江苏科技大学本科毕业设计论文133.43.4 艾亚法计算阻力步骤艾亚法计算阻力步骤由设计船舶的 Fr 和及值差的相应于标准船型的值SLV31V1C根据 Fr 或查表对应于标准船型的方形系数的纵向浮心位置SLVbcCcx对实船进行修正：与标准船型做比较，做出如下修正方形系数的修正：若设计船方形系数小于或大小标准船型的方形系数，bCbCbcC应对标准船型的值增加或减小一个修正值，1C1bcbcbbCCCCC)(311当时，这里所增加的百分数由表查得bcbCC bcK

33、C 111C(%)bcK经方形系数修正后的系数值为2C112 CC宽度吃水比的修正：TB22)%2(10CTBCCb211223CCCC浮心纵向位置的修正：若设计船的浮心纵向位置不在标准位置时，应对系数cx减少一个修正量。为了确定，应按下式先算出3C3303)(xcKC 303)(3210323CCC水线长度的修正43210434CCC实际设计船的有效功率4364. 0735. 0CVpSe式中所得是包括 8%的附加阻力在内的有效功率，其相应的裸船体有效功率ep08. 1eebpp3.53.5 艾亚法有效马力估算过程艾亚法有效马力估算过程水线长 LS=20.00 米 浮心纵坐标 XC=3.29

34、5%L（舯后）型宽 B=5.00 米 LS/(1/3)=5.824型深 H=1.7 米 B/T=5.556吃水 T=0.9 米 =4.472Ls排水量 =40.5 吨 (0.64)=10.686江苏科技大学本科毕业设计论文14方形系数 Cb=0.451 车叶数 Z=4中横剖面系数 CM=0.665序号 相应的速率 V（公里/小时）1516171819201速率 V（节）8.108.649.189.7210.2610.802V/=(1)/LsLs1.811.932.052.172.292.413C1（查艾亚法图谱）3322982852582231944标准方形系数 Cb0=1.08-0.275V

35、/Ls0.5820.5490.5160.4820.4490.4165方形系数的差Cb=Cb0-Cb0.1310.0980.0650.031 -0.002-0.0356Cb/Cb0=（5）/（4） 0.2250.17810.1250.065-0.0042-0.08437K0.130.1240.0920.0380.0030.0558C143.1636.9526.229.80-0.91-14.449方形系数修正后 C2 =C1+C1 =（3）+（8）375.16334.95311.2267.80 222.09179.5610B/T 修正C2=-C2（B/T-2）0.075-100.1-89.3-83

36、.0-71.4-59.2-47.911B/T 修正后，C3=C2+C2=（9）+（10）275.10245.62228.2196.38 162.86131.6712标准浮心纵坐标（查艾亚法图谱） ，Ls-0.023-0.024-0.0245 -0.0247-0.0249-0.02513实际浮心纵坐标与标准值之差，%Ls-0.995-0.895-0.845-0.825 -0.805-0.79514C3/C3（查艾亚法图谱）-0.002-0.007-0.014-0.018 -0.025-0.03515浮心纵坐标修正C3=（14）（11）-0.550-1.719-3.195-3.535 -4.072

37、-4.60916浮心纵坐标修正后，C=C3+C3=（11）+（15）274.55243.90225.0192.85 158.79127.0717V3=（1）（1）（1）531.3644.8773.4918.1 1079.81259.418有效马力 EHP20.728.336.750.972.7105.9191.2EHP（加余裕后）24.833.944.161.087.2127.120相应的速率 V（公里/小时）151617181920江苏科技大学本科毕业设计论文15有效马力计算表有效马力计算表图 3.1根据上面表格计算出来的数值可绘制设计出船的有效功率曲线图 3.1换算单位：1kgfm/s）=

38、9.80665 w, 1 hp=735.499W通过功率与速度相除，得船舶阻力为 6419.5N3.63.6 艾亚法的不足之处艾亚法的不足之处一般来说，艾亚法的适用范围较广，特别对中、低速商船的估算结果与船模试验的吻合程度尚好，因而有一定的实用价值。但其所统计的资料仅代表 20 世纪 40 年代以前的船型，因此用于近代的船型，如大肥船往往误差较大，甚至船型要素超出艾亚法所给定的范围。此外，该估算法纯属统计资料所得，故不仅有理论上难以解释之处，而且某些重要的船型要素对阻力性能的影响没有加以考虑，这是该方法的不足之处。江苏科技大学本科毕业设计论文16第四章第四章 螺旋桨设计螺旋桨设计4.14.1

39、概述概述螺旋桨设计是保证船舶快速性的一个重要方面。在船舶型线设计完成后，并且通过有效马力的估算得出有效马力曲线图之后，如何在主机马力已经选定的情况下，设计一个使船舶能达到最佳航速的螺旋桨，是重点要考虑的问题。螺旋桨设计有图谱设计法和环流理论设计法两种方法。图谱设计法就是根据螺旋桨模型敞水系列试验绘制成专用的各类图谱来进行设计。而环流理论设计方法是根据环流理论及各种桨叶切面的试验或理论数据进行螺旋桨设计。本次论文的螺旋桨设计采用 MAU 螺旋桨图谱设计法。4.24.2 设计螺旋桨时应考虑的问题设计螺旋桨时应考虑的问题影响船舶推进性能的因素有很多，而且这些因素之间有相互制约作用。为了设计出最合理的

40、螺旋桨，必须从推进效率、空泡、振动及强度等方面作通盘的考虑。4.2.14.2.1 螺旋桨的数目螺旋桨的数目在内河船中螺旋桨的数目主要取决于主机数目、操纵性及航速要求。从船舶的经济性能考虑，单螺旋桨船较双螺旋桨船有利，因为单螺旋桨船的车叶位于船尾纵中剖面，此处伴流较大，推力减额较小，船身效率较高，且单螺旋桨的直径较双螺旋桨为大，故其效率较高。本论文按照任务书的要求，选取单螺旋桨进行设计。4.2.24.2.2 螺旋桨的直径螺旋桨的直径一般来说，螺旋桨的直径越大，转速越低者效率越高，但直径受到船的吃水和尾框间隙所限制，而且直径过大时桨盘处的平均伴流减小，是船身效率下降，故对总的推进效率未必有利。实际

41、上螺旋桨的直径多数是根据设计图谱来决定的。4.2.34.2.3 螺旋桨的叶数螺旋桨的叶数叶数的选择应根据船型、吃水、推进性能、振动和空泡等多方面加以考虑。一般认为，若螺旋桨的直径及展开面积相同，则叶数少者效率常略高，叶数多者因叶栅干扰作用增大，故效率下降。从船体振动来说，叶数少者易引起船体的振动。内河船车叶叶尖距船底较近，尾型比较复杂，结构也较弱，容易产生振动，因此在选用叶片数时，不能只顾车叶效率，应从减振方面多予考虑。综合以上考虑，本次渡船设计螺旋桨采用 4 叶桨。江苏科技大学本科毕业设计论文174.2.44.2.4 螺旋桨的转速螺旋桨的转速在选择螺旋桨的转速时，除考虑螺旋桨本身的效率外，尚

42、需顾及主机的类型、重量、价格及机器效率。对于主机转速较高的内河船，一般都设置减速齿轮箱，减速齿轮比根据车叶最佳直径、马力和转速之间的关系图表选择。本次渡船的螺旋桨主机的减速齿轮比为 3:1。4.34.3 船体主要参数船体主要参数船型：单甲板，单体，单舵，单桨，尾机型内河排水量船。设计水线长 LWL=20m垂线间长 LPP=19.5m船宽 B=5.0m设计吃水 d=0.9m排水量 =40.5t方型系数 CB= 0.451棱形系数 CP =0.678桨轴中心线距基线 ZP=0.32m螺旋桨数目 1 个船体有效马力数据如下表航速 V/(km/h)151617181920航速 V/kn8.108.64

43、9.189.7210.2610.80有效马力 Pe/hp24.833.944.16187.2127.14.44.4 主机参数主机参数型号 6105D最大持续功率（单机） 150马力转速 1500rpm旋向 右旋 减速比 3:1螺旋桨转速 500r/min4.54.5 推进因子的确定推进因子的确定根据巴甫米尔经验公式选取伴流分数 w=0.18江苏科技大学本科毕业设计论文18按欣海尔经验公式选取推力减额分数 t=0.18取相对旋转效率 =1.0R船身效率 =1.011Htw4.64.6 可以达到最大航速的计算可以达到最大航速的计算采用 MAU 四叶桨图谱进行计算。取功率储备 10，轴系传送效率 =

44、0.94s螺旋桨敞水收到马力： RSDP9 . 0120 =1200.90.941.0 =126.9（hp）根据 MAU440，MAU455，MAU470 的图谱列表计算：PB 按图谱设计的计算表PB项 目单位数 值km/h16171819假定航速 Vkn8.649.189.7210.26VA=(1-)Vkn7.087.537.978.41VA(2.5)kn133.58155.44179.31205.27BP=NPD0.5/VA2.542.16736.23731.41127.440BP0.56.4946.0205.6055.23874.670.165.862.40.9570.966.662.5

45、59.3P/D0.6450.6820.7070.73600.5580.5790.5960.613MAU4-40PTE=PDH0hp70.873.575.677.8MAU4-5574.069.264.661.3江苏科技大学本科毕业设计论文190.9570.365.761.458.2P/D0.6930.7170.7380.75900.5450.5640.5830.599PTE=PDH0hp69.271.674.076.072.166.662.658.70.9568.563.359.555.8P/D0.7150.7400.7620.78400.5260.5440.5660.579PTE=PDH0hp

46、66.769.071.873.5MAU4-70PTE=PDH0hp66.769.071.873.5据上表计算结果可绘制、P/D 及对 V 的曲线，如图 4.1 所示：TEP0江苏科技大学本科毕业设计论文20、P/D 及对 V 的曲线图 4.1TEP0根据曲线与船体满载有效马力曲线之交点，可获得不同盘面比所对应的)(VfPTE设计航速及螺旋桨最佳要素及见表 4.3 所列：DP/0表表 4.34.3 按图按图 4.14.1 设计计算的最佳要素表设计计算的最佳要素表MAUVmax/knP/DD/m0PTE/hpMAU4-4010.080.72660.30.920.60777MAU4-5510.040

47、.7559.40.890.59375.2MAU4-709.990.77357.60.870.57472.84.74.7 空泡校核空泡校核按柏利尔空泡限界线中商船上界线，计算不发生空泡之最小展开面积比。桨轴沉深 hs=T-Zp=0.9-0.32=0.58m P0-Pv=10579kgf/m2计算温度 t=15 0 C，=174 kgf/m2，PD=126.9hp，=101.83 kgf.s4/m2 VP空泡校核表江苏科技大学本科毕业设计论文21序号项目单位MAU4-40MAU4-55MAU4-701Vmaxkn10.0810.049.992P/D0.7260.750.7733Dm0.920.89

48、0.87400.6070.5930.5745VA=0.5144Vmax(1-w)m/s4.2524.2354.2146(0.7ND/60)2(m/s)2283.967265.75248.147V20.7R20.7R=V2A+(0.7ND/60)2(m/s)2302.05283.69265.98=(P0-Pv)/0.5V20.7R0.6960.7410.7919c(查图 6-21）0.2310.2470.26110T=PD075/VAkgf1358.71332.71296.411AP=T/0.5V20.7Rcm20.3820.3720.36612AE=AP/(1.067-0.229P/D)m20

49、.4240.4160.41113AE/A0=AE/(0.25D2)0.6370.6690.692根据上表计算结果作下图，可求得不发生空泡的最小盘面比以及所对应的最佳螺旋桨要素。AE/A0=0.691，=0.772，D=0.87m，0=0.575，Vmax=9.99 kn P D江苏科技大学本科毕业设计论文22Ae/ Ao定 定 定 定 定Ae/ Ao定 定 定 定 定0. 40. 550. 700. 550. 630. 70V/ kn10. 1010. 049. 980. 720. 720. 740. 760. 78P/ DAe/ Ao=0. 6910. 850. 950. 90D / m0.

50、 570. 580. 590. 610. 60 oD oP/ DVAe/ AoAe/ Ao空泡校核计算结果图 4.24.84.8 强度校核强度校核按 2002 年版钢质内河船舶入级与建造规范以下简称规范第三篇 9.5.2 要求，0.25R 剖面处的桨叶厚度 t 不得小于按下式计算之值： t0.25=20.7mm (4.1)225. 07 . 05)1000)(25. 0035. 0()5 . 35 . 1 (104 . 3neDkZbnNePDPDe式中：D/P=1.30，Ne=103.6kW，Z=4，ne=500rpm，=8o，K=1.0b0.66R=m (4.2)d0.2260.226 0

51、.87 0.6910.33970.10.4DAZb0.25R=0.7212b0.66R=0.2450mb0.6R=0.9911b0.66R=0.3367mb 为 0.25R 处的的弦长，Ad=AE/AO=0.691MAU 标准桨叶厚度 t=33.2mm江苏科技大学本科毕业设计论文23实际取 t0.25 =34.2mm20.7mm，满足要求。叶梢处的厚度 t1.0=C0D=30.87=2.61mm实际 t1.0 =2.61mm，满足要求。实际桨叶厚度按 t1.0R=2.61mm 与 t0.25r=34.2mm 连接直线决定，见表 4.2： 厚度表格 4.2 单位：mmt1.0Rr2.61t0.2

52、5R34.2t0.2R36.3t0.3R32.1t0.4R27.9t0.5R23.7t0.6R19.4t0.7R15.2t0.8R11.0t0.9R6.8所以设计的螺旋桨满足要求。4.94.9 螺距修正螺距修正根据尾轴直径大小，决定毂径比 dh/D=0.18,此值与 MAU 桨标准毂径比相同，故对此项无须修正。由于实际桨叶厚度大于 MAU 桨标准厚度，故需因厚度差异进行螺距修正。设计桨 (4.3)0.01520.045790.9964 0.3397tb标准桨 (4.4) （取 MAU4-70 为标准桨）0.01710.043120.9964 0.398tDbD (4.5)1130.86630.

53、8660.82 9.99 30.866 0.7529500 0.67164Aw VVsNPNP (4.6) 0.70.70.70.700.750.001580.691tttbbb设标 (4.7)00.7210.001837tRPPtsDDb 修正后的螺距比: (4.8)00.7720.0018370.770tPPPDDD江苏科技大学本科毕业设计论文244.104.10 重量及惯性矩的计算重量及惯性矩的计算4.10.14.10.1 螺旋桨重量螺旋桨重量按照我国船舶及海洋工程设计研究院提出的公式：(1)桨叶重Gbl =0.169Zbmax（0.5t0.2+t0.6）（1-)D=51.73kg (4

54、.9)dD(2)桨毂重Gn=（0.88-0.6d0/d)Lkd2=20.7kg (4.10)(3)螺旋桨重量G=Gbl+Gn=51.73+20.7=72.43kg 4.10.24.10.2 螺旋桨惯性矩计算螺旋桨惯性矩计算Imp=0.0948Zbmax(0.5t0.2+t0.6)D3=26.9kgf.cm.s2 (4.11)(7.2)-(7.4)式中：bmax为桨叶最大宽度即 b0.66R ； d0为桨榖长度中央处的轴径，按下式估计：d0=0.045+0.108（PD/N)1/3-KLK/2PD，N 分别为主机最大持续功率情况下的螺旋桨收到马力（hp）和转速（r/min)；t0.2，t0.6分

55、别为 0.2R 和 0.6R 处切面之最大厚度（m）；K为轴毂配合的锥度；LK为毂长（m），Lk=0.225m； 为材料重量密度（kgf/m3),锰铝黄铜为 8410kgf/m3；Z 为桨叶数，Z=4；d 为桨毂直径（m)；D 为螺旋桨直径（m)。4.10.34.10.3 敞水性征曲线之确定敞水性征曲线之确定由 MAU4-55,MAU4-70,P/D=0.772 的敞水性征曲线内插得到 MAU4-69.1，P/D=0.772的敞水性征曲线（见图 4.3） ，其数据见表 4.6。江苏科技大学本科毕业设计论文25表表 4.64.6 设计桨的敞水特性数据表设计桨的敞水特性数据表J00.10.20.3

56、0.40.50.60.70.8KT0.360.330.2980.2640.2270.1870.1430.0940.0246KQ0.04330.04030.03710.03360.02980.02560.02080.450.0064200.1300.2560.3750.4850.5820.6570.6940.488图 4.3 敞水性征曲线图4.10.44.10.4 系住特性计算系住特性计算由图 7.3 可得当 J=0 时，KT =0.360，KQ=0.0433。计算功率 1500.94=141hpDP系柱推力减额分数取 to=0.04主机转矩 202.07kgf.m NPQD2/7560有效系柱

57、推力 1854kgf DKwQKTQT/1螺旋桨转速 N= 60563.3 / minTr4TDK江苏科技大学本科毕业设计论文264.10.54.10.5 航行特性计算航行特性计算取转速为 500r/min,490r/min,480r/min 进行计算，结果如表 4.7 所示。=101.83 kgf.s4/m2，=1.0 ，=0.94，D=0.87m，t=0.18Rs表表 4.74.7 航行特性计算表航行特性计算表项 目单位数 值Km/h1617181920Vkn8.649.189.7210.2610.80VA=0.5144（1-w)Vm/s3.64413.87194.09964.32744.

58、5552J=VA/nD0.5030.5340.5650.5970.628KT0.1860.1720.1590.1440.13KQ0.02550.02410.02260.02100.0193PTE=KTn2D4*(1-t)V/145.6hp73.472.270.667.564.2N=500r/minPS=KQ2nn2D5/75SRhp133.6126.3118.4110.0101.1J=VA/nD0.5130.5450.5770.6090.641KT0.1820.1680.1530.1390.124KQ0.02500.02350.02200.02030.0186PTE=KTn2D4*(1-t)V

59、/145.6hp71.970.568.065.261.2N=490 r/minPS=KQ2nn2D5/75SRhp131123.1115.3106.497.5J=VA/nD0.5240.5560.5890.6220.654KT0.1770.1630.1480.1330.118KQ0.02450.02300.02140.01960.0179PTE=KTn2D4*(1-t)V/145.6hp69.968.465.762.458.2N=480 r/minPS=KQ2nn2D5/75SRhp128.4120.5112.1102.793.8将上述计算结果绘成图 4.4。满载航行,N=500r/min 时

60、,可达到最大航速约为 9.92kn，主机马力为 127.8hp，与设计基本要求一致。江苏科技大学本科毕业设计论文27图 4.4 航行特性曲线4.10.64.10.6 螺旋桨计算总结螺旋桨计算总结螺旋桨直径 D=0.87m螺距比 P/D=0.770型式 MAU叶数 Z=4盘面比 AE/A0=0.691纵倾角 =8螺旋桨效率 =0.5750设计航速 =9.99knmaxV江苏科技大学本科毕业设计论文28毂径比 0.18hdD 旋向 右旋材料 锰铝黄铜重量 G= 72.43 kg惯性矩 Imp=26.9kgfcmS24.114.11 本章小结本章小结螺旋桨设计是校核并提高船舶快速性的一个重要内容，也

61、对整船的经济性有一定影响。设计从选取合适的伴流分数、推力减额和齿轮箱减速比开始，综合考虑螺旋桨的各个设计步骤，通过查询图谱得出最佳要素表。然后进行了空泡、强度校核、PB航行特性曲线的绘制等，设计得到了满足要求的螺旋桨。江苏科技大学本科毕业设计论文29第五章第五章 CFDCFD 软件的计算软件的计算5.15.1 计算流体力学常用数值方法计算流体力学常用数值方法流体力学数值方法有很多种,其数学原理各不相同,但有二点是所有方法都具备的,即离散化和代数化。总的来说其基本思想是:将原来连续的求解区域划分成网格或单元子区域,在其中设置有限个离散点(称为节点) ,将求解区域中的连续函数离散为这些节点上的函数

62、值;通过某种数学原理,将作为控制方程的偏微分方程转化为联系节点上待求函数值之间关系的代数方程(离散方程) ,求解所建立起来的代表方程以获得求解函数的节点值。不同的数值方法,其主要区别在于求解区域的离散方式和控制方程的离散方式上。在流体力学数值方法中,应用比较广泛的是有限差分法、有限元法、边界元法、有限体积法和有限分析法,现简述如下。5.1.15.1.1 有限差分法有限差分法这是最早采用的数值方法,它是将求解区域划分为矩形或正交曲线网格,在网格线交点 (即节点) 上,将控制方程中的每一个微商用差商来代替,从而将连续函数的微分方程离散为网格节点上定义的差分方程,每个方程中包含了本节点及其附近一些节

63、点上的待求函数值,通过求解这些代数方程就可获得所需的数值解。有限差分法的优点是它建立在经典的数学逼近理论的基础上,容易为人们理解和接受;有限差分法的主要缺点是对于复杂流体区域的边界形状处理不方便,处理得不好将影响计算精度。5.1.25.1.2 有限元法有限元法有限元法的基本原理是把适定的微分问题的解域进行离散化,将其剖分成相连结又互不重叠的具有一定规则几何形状的有限个子区域(如:在二维问题中可以划分为三角形或四边形;在三维问题中可以划分为四面体或六面体等) ,这些子区域称之为单元,单元之间以节点相联结。函数值被定义在节点上,在单元中选择基函数(又称插值函数) ,以节点函数值与基函数的乘积的线性

64、组合成单元的近似解来逼近单元中的真解。利用古典变分方法(里兹法或伽辽金法) 由单元分析建立单元的有限元方程,然后组合成总体有限元方程,考虑边界条件后进而求解。由于单元的几何形状是规则的,因此在单元江苏科技大学本科毕业设计论文30上构造基函数可以遵循相同的法则,每个单元的有限元方程都具有相同的形式,可以用标准化的格式表示,其求解步骤也就变得很规范,即使是求解域剖分各单元的尺寸大小不一样,其求解步骤也不用改变,这就为利用计算机编制通用程序进行求解带来了方便。有限元法的主要优点是对于求解区域的单元剖分没有特别的限制,因此特别适合处理具有复杂边界流场的区域。5.1.35.1.3 边界元法边界元法边界元

65、法是在经典积分方程和有限元法基础上发展起来的求解微分方程的数值方法,其基本思想是:将微分方程相应的基本解作为权函数,应用加权余量法并应用格林函数导出联系解域中待求函数值与边界上的函数值与法向导数值之间关系的积分方程;令积分方程在边界上成立,获得边界积分方程,该方程表述了函数值和法向导数值在边界上的积分关系,而在这些边界值中,一部份是在边界条件中给定的,另一部份是待求的未知量,边界元法就是以边界积分方程作为求解的出发点,求出边界上的未知量;在所导出的边界积分方程基础上利用有限元的离散化思想,把边界离散化,建立边界元代数方程组,求解后可获得边界上全部节点的函数值和法向导数值;将全部边界值代入积分方

66、程中,即可获得内点函数值的计算表达式,它可以表示成边界节点值的线性组合。边界元法的优点是: (1) 将全解域的计算化为解域边界上的计算,使求解问题的维数降低了一维,减少了计算工作量; (2) 能够方便地处理无界区域问题。例如对于势流等的无限_区域问题,使用边界元法求解时由于基本解满足无穷远处边界条件,在无穷远处边界上的积分恒等于零。因此对于无限区域问题,例如具有无穷远边界的势流问题,无需确定外边界,只需在内边界上进行离散即可; (3) 边界元法的精度一般高于有限元法。边界元法的主要缺点是边界元方程组的系数矩阵是不对称的满阵,该方法目前只适用于线性问题。5.1.45.1.4 有限体积法有限体积法有限体积法又称为控制体积法,其导出离散方程的基本思路是: (1) 将计算区域划分为一系列不重复的控制体积,每一个控制体积都有一个节点作代表,将待求的守恒型微分方程在任一控制体积及一定时间间隔内对空间与时间作积分;(2) 对待求函数及其导数对时间及空间的变化型线或插值方式作出假设;(3) 对步骤1 中各项按选定的型线作出积分并整理成一组关于节点上未知量的离江苏科技大学本科毕业设计论文31散方程。有限