为满足船舶高航速、大型化的需求,船舶的航速、吨位以及主机功率均在不断增加,越来越多的大型船舶采用四桨推进系统。内外桨负荷分配问题是研究四桨船舶推进性能的核心问题之一:一方面,四桨船舶螺旋桨布置的特殊性会导致内外桨产生严重的负荷分配不均衡问题;另一方面,实船尺度的增加意味着船模试验中模型缩尺比更大,导致尺度效应的问题也更为突出,而尺度效应对内桨和外桨的影响程度又存在一定的差异。本文通过“理论分析+模型试验+数值模拟”的研究方法对四桨船负荷分配不均衡问题及尺度效应问题进行了系统的研究,开展了四桨船流场测试及快速性试验研究,分析了四桨船舶内外桨伴流场差异产生的原因,总结了四桨船舶伴流场尺度效应变化规律,提出了四桨船从模型到实船的伴流场换算方法,在系统全面地分析桨叶与流场相互作用机理的基础上,建立了流场特性与螺旋桨载荷之间的关联性,提出了有效可行的内外桨负荷均衡控制措施。论文主要内容如下:开展四桨船全附体PIV流场测试试验及快速性试验研究,获取船模伴流场信息及推进性能,基于模型试验结果建立了四桨船多尺度流场特性数值计算方法和自航性能数值计算方法,各个尺度模型流场的数值不确定度水平控制在15%之内,阻力误差最大为7%,螺旋桨载荷误差控制在5%以内,该部分研究内容为开展四桨船舶流场特性分析、负荷分配及其尺度效应分析等提供了可靠的数值模拟数据;开展四桨船尾流场分布规律研究,内外桨盘面伴流场的差异源于桨盘面空间位置的差异及船体周围粘性流动的影响,由于外桨位置相对靠前,外半径处会有上游高速流体流入,这使得外桨桨盘面轴向速度大于内桨桨盘面,且外桨盘面流动为船体边界层流动及湍流尾流区的混合流动,这使得外桨伴流场更不均匀;开展流场尺度效应研究,随着雷诺数的增加,速度等值线逐渐向支架臂处收缩,尺度效应对外桨伴流场影响更大,提出了适用于四桨船舶模型到实船的伴流分数修正方法,揭示了四桨船内外桨伴流场差异与模型尺度之间的关联性,对带有附体的船舶尾流场进行预报或实船换算时,要重点考虑附体的尺度效应问题,此外,研究还给出了大尺度船模缩尺比的选取依据,即尽可能保证附体达到临界雷诺数;开展四桨船舶轴承力及其尺度效应研究,对比分析了内外桨载荷时均值及脉动值的差异以及船模和实船轴承力的差异,内外桨负荷差从模型尺度的4.2%增加到实尺度的10.63%,研究指出对于四桨船而言,外桨轴向载荷脉动值大于内桨,而外桨侧向载荷脉动值小于内桨;就尺度效应而言,实尺度轴向脉动载荷小于模型尺度,而实尺度侧向脉动载荷大于模型尺度;基于CFD流场及自航数值计算结果,在充分考虑内外桨伴流差异的前提下,以减小内外桨负荷差为目的,提出了螺旋桨适伴流差异化设计和附体优化的负荷均衡控制措施,并通过算例验证了两种方法的有效性及可行性。