吃水差对WIGLEY船体下沉量影响的数值分析

发布时间：2020-07-11 10:57

【摘要】：船舶由静止开始向前航行排开周围水体引起船体表面压力分布不均,致使船体在垂直方向上运动同时伴随纵倾角的变化。这种船舶由于航行产生的垂直位置的下沉和纵倾角变化的现象称为船舶下沉。船体下沉量的计算精度对估计安全航行所需富余水深有着极其重要的影响。通过阅读总结文献发现目前研究船体下沉量的常用方法有三种,分别为理论分析法、试验法及数值模拟法。理论分析法基于势流理论,结果真实可靠但其假设条件过于理想化并且计算过程比较繁琐,在实际应用中受到限制。试验法立足船模试验和实船数据回归出经验公式,但回归得到经验公式有严格的适用范围。数值模拟法基于计算流体力学通过求解流场控制方程以模拟流场信息。该方法可以很好的模拟各种船体外部流场,且耗资少且取得结果快。各位研究人员数十年研究表明,影响船体下沉量主要因素有船速、方形系数和航道深度。但目前研究结果基本上都是基于船体正浮的假设,忽略了船体吃水差对船体下沉量的影响。而实际生产中船体存在吃水差是很常见的,并且己有研究[1]表明吃水差对船体阻力存在影响。为此,本文基于计算流体动力学利用FLUNET流体计算软件使用数值模拟的方法进行研究吃水差对船体下沉量的影响。首先,将计算流体动力学知识应用到船体下沉量求解上,介绍了结合船舶运动模型的数值求解下沉量方法;并针对数值方法中存在的离散误差进行了分析,得到能准确求解下沉量的网格划分尺寸、离散格式和时间步长最佳设置。接着,使用提出的数值求解下沉量的方法建立Wigley船体下沉量计算模型,求解存在吃水差的船体在不同水深吃水比下的船体下沉量和存在吃水差的船体在不同速度下的船体下沉量。通过对计算得到的结果进行分析,发现在深水域存在吃水差的船体下沉量与平吃水船体下沉量基本相等;而当船体处于浅水域时,吃水差对船体下沉量的影响不可忽略,且速度越大其对下沉量的影响越大,该结论通过分析船体附近流场信息得到证实。最后将存在吃水差的计算结果与平吃水比较回归得到吃水差在不同航行环境下对船体下沉量的影响公式。吃水差对船体下沉量影响分为对船中下沉量的影响和对纵倾角变化的影响。船中下沉量变化量与初始纵倾角呈正相关关系;纵倾角变化量与初始纵倾角呈正比例关系。
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U661;U698
【图文】：

２．４影响数值计算误差的因素逡逑上节阐述了计算船舶下沉量的数值方法，为确认该方法的准确性，需要对逡逑该方法进行讨论分析和验证。如图２．４所示为ＣＦＤ求解过程中存在误差的地方，逡逑首先对实际问题建立概念模型，忽略次要的物理效应，之后建立连续性数学模逡逑型，比如偏微分或积分方程。为了求解控制方程，需要引入一些假设或近似，逡逑如湍流模型等，从而带来了了模型误差。在确定边界条件与初始条件后，微分逡逑方程可以保证有确定解，控制方程与相应的初始条件、边界条件的组合构成对逡逑一个物理过程现象的完整的数学描述。为了数值上求解方程，需要在空间或时逡逑间离散，数值上引入算法带来了离散误差。通过数值方法将微分方程离散为网逡逑格节点上的一系列代数方程组，然后通过数值迭代方法求解代数方程组，以求逡

程进行表示如下［５２］：逡逑ｙ＝ｆ邋１＿（ｔ）邋［１＿？．逡逑式中，Ｌ是船长，Ｂ是船宽，Ｔ是吃水，主要参数Ｌ＝ｌｍ，邋Ｂ／Ｌ邋＝邋０．１，逡逑Ｔ／Ｌ邋＝邋０．０６２５，船体主尺度如表３．１所示：逡逑表３．１邋Ｗｉｇｌｅｙ船型主要参数逡逑Ｔａｂｌｅ３．１邋Ｍａｉｎ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｏｆ邋Ｗｉｇｌｅｙ邋ｓｈｉｐ逡逑Ｌ／ｍ逦Ｂ／ｍ逦Ｔ／ｍ逦Ｖ／ｍ３逡逑Ｗｉｇｅｌｙ逦１逦０．１逦０．０６２５逦０．００２７７５逡逑由于船体型线规则未存在较大弧度的曲面故本文使用前处理软件ＩＣＥＭ逡逑ＣＦＤ按照有点到线、由线到面的顺序进行船体建模。根据描述型值点坐标的方逡逑程计算出型值点坐标，将所有型值点坐标导入前处理软件，依据由上到下的三逡逑维建模方式进行点线面的建模，最终得到Ｗｉｇｌｅｙ三维几何船模如下图所示：逡逑

尽可能远离感兴趣的区域并且避免设置在几何变化剧烈的地方或者有循环的尾逡逑迹区域。在本文之前己经有很多研究这对这一问题进行了研究，本文也通过放逡逑置不同距离的出口进行预实验，通过检测不同位置处的压力分布，如图３．２所逡逑示，最终得到距船尾大于３倍船长处流体充分发展，压力分布不随距离发生变逡逑化。逡逑＇逡逑１４０逦逦逦逦逦－逦逦逦？？＿？？？逦逦逦逦逦逦逦逦逡逑＇Ｉ逦逡逑＾邋＂＂＂＂＂＂＂逦｜＂ 邋Ｉ逡逑？邋；邋１逡逑＊－？逡逑ｉ邋８０－４－邋ｔ逦逡逑￣逦－邋—邋－Ｊ邋邋＊逦逦邋■邋－ｒ逦邋－ｒ－逡逑：Ｖ逦｜逦＿＿＿逦｜逦Ｉ逡逑４０－逦…’逡逑＼邋／逡逑逦逦Ｖ—逡逑ｉ逦■逦Ｊ逦ｉ逦＇逦■逦ｉ逦＇逦■邋■逦ｉ逦？邋？邋■邋？逦ｉ逡逑０逦０．５逦１逦１５逦２逡逑Ｙ［ｍ］逡逑逦０Ｌ邋逦邋ＩＬ邋２１邋逦邋３Ｌ逡逑图３．２船尾后方不同距离处的压力分布逡逑Ｆｉｇ．邋３．２邋Ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ａｔ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｄｉｓｔａｎｃｅｓ邋ｂｅｈｉｎｄ邋ｔｈｅ邋ｒｅａｒ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｈｉｐ＇ｓ邋ｔａｉｌ逡逑因此设置计算域下游边界距船尾３倍船长。底部边界根据试验需要进行设逡逑置，上部边界对整个流场影响不大与船甲板距离设为二分之一船长。最终建立逡逑的计算域如图３．３所示，由于船体对称且不考虑舵、桨的影响，船体外部流场逡逑沿船中纵面对称

【参考文献】

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本文编号：2750311