U型减摇水舱模型试验与数值仿真

发布时间：2020-01-29 18:26

【摘要】：减摇水舱是目前船舶最常用的减摇装置之一,目前研究水舱的主要方法是台架试验和船模模型试验。文章针对某型1 500 t船水舱做了岸上摇摆台试验,以确定减摇水舱的固有周期和规则波下的抗摇力矩。由于岸上试验耗时长、代价高,采用CFD数值方法对水舱的自由衰减和强迫振荡进行了仿真计算,通过与试验值对比发现,CFD计算结果吻合较好,证明了CFD方法在模拟水舱摇摆台试验中的可行性。
【图文】：

Ｔ谒釅?的研究方法当中，由于流体运动的复杂性，经验公式的计算往往准确率很低，目前主要靠台架试验或者船模试验来研究，试验研究准确、可靠，但是也有着本身耗时长、造价高等局限性[3,4]。随着计算流体力学（CFD）的发展，CFD方法越来越多地应用到工程实际中，计算也越来越成熟[5]。本文利用CFD数值模拟技术，对减摇水舱的台架试验进行计算，并将数值计算结果与试验结果对比。1模型试验本文研究对象为1500t船，船长为88.90m，型宽12.20m，吃水为4.149m，船舶重心为基线以上5.0m。减摇水舱尺寸基本参数如图1和表1所示。图1水舱尺寸示意图表1水舱参数参数数值参数数值水舱总外宽BT/m11.86边舱高度HT/m4.4边舱宽度BW/m2.33底通道高度HD/m0.75水舱总长度LT/m5.4水位高度HW/m2.3水舱总内宽BD/m7.2舱底距基高度BH/m1.9收稿日期：2016-03-22；修回日期：2016-04-20作者简介：吴建林（1989—），男，硕士研究生。主要从事船舶水动力研究和减摇工作。BTB.LHBTHWHDH

吴建林等，U型减摇水舱模型试验与数值仿真—43—减摇水舱模型缩尺比为1∶20，采用透明有机玻璃制作以便清晰观察舱内液体的运动状况，舱体壳板以及舱内结构完全按照实际尺寸的缩尺比制作。制作完成的减摇水舱模型如图2所示。图2试验水舱模型减摇水舱岸上试验包括自由衰减和摇摆台强迫振荡试验。其中自由衰减试验用以确定最佳的注水高度，保证水舱自然周期与船舶横摇自然周期接近，试验时首先对舱内自由液面施加初始扰动，通过安装在舱内的水位计测量并记录自由液面的运动衰减曲线，获得不同状态下的减摇水舱自然周期。摇摆台试验是将减摇水舱固定安装在摇摆台上，通过电机控制完成规定周期和规定幅度的简谐摇摆运动，水舱摇摆中心为船舶重心，测量获得减摇水舱对转动轴产生的横摇力矩和相位，试验模型布置如图3所示。图3摇摆台试验2CFD数值仿真2.1控制方程和湍流模型水舱中水的运动可以用Navier-Stokes方程来描述，其中水可以认为是不可压缩的粘性流体，其连续性方程及动量守恒方程表达式为：0(,1,2,3)iiux=ij=（1）23(,1,2,3)iijijijiijiiiuupuFtxxxuuuxxxxijρρμμ+=++=（2）式中，t为时间；xi与xj是在i、j方向的坐标值；ρ是密度；μ为流体粘性系数；p是平均压力；Fi为外力项；ui为平均速度u在i方向的速度分量。本文采用基于RANS（ReynoldsAverageNavier-Strokes）方程求解粘性流的数值方法，对水舱运动的粘性流场进行数值模拟，湍流模型采用k-ε的两方程模型[6,7]。水舱自由液面的追踪采用VOF模型，该方法能有效地处理复杂几何体和碎波的影响，在求解多相流的计算中应用广泛。根据水舱运动的特点，在计算时，，微分方程的离散使用

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