船舶波浪增阻预报数值方法比较研究

发布时间：2020-07-31 14:09

【摘要】：随着能效设计指数EEDI强制实施以限制船舶二氧化碳的排放量,节能低碳变为船舶行业近年来关注的焦点。减小装机功率、航速是满足能效要求最快速有用的方法。在满足能效要求下,国际海事组织提出了船舶最小推进功率来衡量船舶在恶劣海况下保持其操纵性的能力。船舶最小推进功率认证的难点之一在于如何准确计算船舶在恶劣海况中的波浪增阻。CFD方法计算的结果理论上可以反映真实流体的流动。与势流结果相比,CFD方法能够计算较大波陡波浪下的船舶波浪增阻问题。本文采用STAR-CCM+对船舶波浪增阻进行数值预报。波浪增阻是船舶波浪阻力相对于静水阻力的平均增量。首先对船舶静水阻力进行研究。本文对静水阻力数值模拟的计算域、网格以及时间步长设置进行了收敛性分析。此外由于静水阻力计算中粘性占主导作用,因此还对边界层的设置做了分析研究。采用推荐的静水阻力数值模拟策略,将不同航速以及不同船型的静水阻力数值预报结果与试验值进行比较。阻力预报精度在3%以内,达到了期望的要求。数值水池造波是船舶耐波性计算的前提。首先对纯波浪数值模拟的计算域、网格以及时间步长设置进行了收敛性分析。由于船舶有航速,因此还需考虑波加流数值模拟。在自收敛性验证纯波浪和波加流工况之后与流函数结果进行比较。结果表明CFD数值造波有衰减,通常需要调大输入波高。波浪阻力的计算可以选择是否采取重叠网格的方法。在使用重叠网格方法的基础上进行收敛性分析得到数值模拟推荐参数。对KCS的波浪增阻计算发现,在同样的参数设置下,采用重叠网格方法得到的计算结果与试验值吻合良好。但在短波工况下,非重叠网格方法也可用来预报波浪增阻。根据入射波的非线性程度不同,将势流阻力时历结果与CFD进行对比。发现线性波浪下,势流与粘流结果吻合良好。对于弱非线性入射波,在增阻峰值附近的波浪工况下,势流与粘流时历结果差别较为明显。在较大波陡波浪下,势流时历与粘流预报结果差别较大。最后对波浪增阻的计算表明势流方法可以准确预报线性以及弱非线性入射波下的波浪增阻。CFD方法预报的船舶波浪增阻结果与试验吻合良好,不受入射波的非线性影响。
【学位授予单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：U661.311
【图文】：

局部坐标系,泰勒展开,面元

可表述为对势函数泰勒展开然后保留两个一阶导数，在物理上也就是两个正交切向方向逡逑的速度。逡逑对于一阶泰勒展开边界元法，假设在该面元内速度势的一阶量连续，如图２．１所示，逡逑在该面元建立局部坐标系，是源点所在的局部坐标，对应的场点为４？，艿３。逡逑在每一个离散曲面面元的局部坐标系下对式（２－１１）的偶极强度进行一阶泰勒展开，则逡逑Ｖｋ：逡逑图２．１邋ＴＥＢＥＭ局部坐标系逡逑Ｌ邋＋邋＿N逦（２－１６）逡逑将式（２－１６）表示的偶极强度带入式（２－１３），可得离散方程，即：逡逑１４逡逑

平壁,湍流边界层,层流,粘性底层

边界层是在物体表明流体粘性主导的区域，值得注意的是边界层类似于流体质点，逡逑它们在自然界中并不存在，都是为了研宄而人为提出的概念。均匀来流在光滑平壁面流逡逑过ｘ距离的边界层可见图２．２［５９］。逡逑（ＷＵ逡逑ｕ逦逦Ｖ逦逡逑逦？逦转捩逦逦－／，逦｜逡逑ｗ流以域逦丨＜域逦Ｚ邋１逡逑ｉｆ￣一厂逡逑Ｘ逡逑图２．２光滑平壁面湍流边界层逡逑由图可知，流动刚开始为层流。当流体经过一段距离雷诺数逐渐增大，在经过较短逡逑距离的转捩区域，流动从层流过渡为湍流。当流体在平板某个位置ｘ处，在边界层内的逡逑速度剖面接近来流流速，等于０．９９Ｕ。则此处ｘ位置处的边界层厚度即视为平板湍流在逡逑充分发展之后的边界层厚度５。在充分发展湍流边界层中，最贴近壁面的是很薄的层流逡逑粘性底层，在粘性底层与远离壁面的湍流区域之间是过渡区。逡逑在粘性底层中流动是层流，流体剪切应力和速度遵循牛顿内摩擦定律，见式（２－３０），逡逑其中ｙ为距壁面的高度。因为粘性底层很薄

层流底层,条纹线,试验值,分布规律

＝Ｕｎｙ＋＋ｃ邋（３０＜少＋＜１５０）逦（２－３６）逡逑ｋ逡逑依据ｙ＋不同，ＳＴＡＲ－ＣＣＭ＋中有三种壁面模型，包括低ｙ＋壁面处理、高ｙ＋壁面处理、逡逑Ａｌｌｙ＋壁面处理，见图２．４【６１〗。低ｙ＋壁面处理方法要求解层流底层，控制ｙ＋为］，导致壁逡逑面需要很细的网格。而对于高ｙ＋壁面处理模型，层流粘性底层不需要求解，通过壁面逡逑函数处理流动问题，ｙ＋控制在３０－１５０之间。所以可以在壁面使用较疏的网格减小计算逡逑量。Ａｌｌ邋ｙ＋壁面处理是低ｙ＋壁面处理、高ｙ＋壁面处理的混合使用，程序根据壁面ｙ＋自逡逑动调节壁面处理模型

【相似文献】