带球鼻艏船舶阻力计算及与实测数据的对比
发布时间：2020-09-25 18:41
船舶阻力的研究一直都是学者们关注的热点问题,目前,存在很多CFD商业软件可用于研究船舶阻力,如何选择合适的软件对船舶阻力进行快速高效准确的预报及方案优选是不可忽视的问题。本文以一种带球鼻艏的方尾型船模作为研究对象,利用拖曳水池测量了其在9个航速下的阻力值,同时分别采用ANSYS CFX和SHIPFLOW两种商业软件,对本文船模进行相应的阻力数值模拟计算,并将数值模拟值与实测阻力值进行对比,从不同方面研究了两种软件之间的差异与共同点,对比两者的优劣势。本文回顾了研究船舶阻力的三种基本方法,总结了国内外船舶阻力研究的发展现状。对船体阻力的形成原因和种类进行了理论研究。介绍了船模实验的原理,以Vienna Model Basin Ltd.的拖曳水池作为实验平台,对船模进行敞水实验、阻力实验及自航实验等,并记录下不同航速下船模的阻力值。选用两种软件对船模阻力进行数值模拟,首先通过网格生成软件POINTWISE对船体的表面网格及长方体流体计算域进行结构网格的划分,将生成的网格导入ANSYS CFX中进行仿真计算,利用VOF法捕捉自由液面,获得不同弗劳德数(即船速)下船模的阻力值。从而对比分析了数值模拟的阻力值和模型实测值,同时也得到一系列直观的流场云图。其次采用另一种数值模拟软件SHIPFLOW对本文船模进行阻力计算,利用势流和粘流相结合的ZONAL法计算阻力,设置各个命令模块的命令参数,得到船模的总阻力系数和摩擦阻力系数等。经1957-ITTC公式计算,求出船模的摩擦阻力系数理论估算值,并与SHIPFLOW计算值进行对比分析。同样,将模拟的总阻力数据和实测阻力数据进行对比分析。最后,通过总阻力计算结果的准确性、流场细节及资源消耗等各个方面对比分析ANSYS CFX和SHIPFLOW两个软件在本案例中的异同及优缺点,对比结果表明:两种商业软件的CFD计算值与实验值总体趋势一致,均能满足船舶阻力预报的工程应用。且在全船速范围内,ANSYS CFX和SHIIFLOW的平均误差依次为:0.9%和7.3%,前者的计算精度及应用领域高于后者,后者的计算效率及前处理操作优于前者,两者都能较好的捕捉流场细节。
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U661.311
【部分图文】：
检验新设计的船舶是否能达到预设标准的检验方式[43]。任何实尺度的船在投入生产或使用前，都需要经过船舶模型实验的验证。所以，船模实验是探究船舶阻力性能的必要方法。本节将从实验对象、实验平台及具体的实验操作来介绍本文的船模实验。2.2.1 实验对象选用一种带球鼻艏的方尾型船模进行阻力实验测定，缩尺比 λ=27.27，该船模为木质船模，船型主要参数如表 2.1 所示。表 2.1 船型参数表参数 全尺寸实船 实验用船模垂线间长 Lpp/m 187.25 6.87船宽 B/m 36.45 1.34设计水线长 Los/m 199.90 7.33吃水量 T/m 9.50 0.35湿面积 S/m2 7 816.00 10.51缩尺比λ 27.27 1.00
2.2.2 实验平台简介船模实验的平台是船模实验水池，目前，绝大多数实验水池都是拖车式的拖曳水池，也有一些是重力式的实验水池。本文采用拖车式拖曳水池进行船模实验。在拖曳水池中可以进行各类合适尺寸船模的阻力测试、流场性能实验、快速性检测等实验，之后可以根据船模表现的特性预报实船的相应航行性能[44]。拖车式实验水池主要有两个阶段，一个是速度加速段，另一个是速度稳定段，其阻力测量原理是拖车带动船模运动，当船模速度达到匀速时再测量其阻力（即等速度法）。现代拖曳水池拥有良好的实验条件，使用范围比重力式船模水池广泛。拖车式水池实验平台由水池区域、船模安装（包括拖车与导轨）区域、阻力仪等设备测量与记录区域和动力供给区域等组成。如图 2.3 所示，拖车安装在拖曳水池两边的导轨上。拖车有两个方面的作用：其一是拖车可以牵引船模以特定的速度在某一方向上行驶[45]。另一方面，拖车上可以安装如阻力仪、测速仪等多种实验所需的设备，甚至可以安装拍照和录影设备，用于实时记录和捕捉实验中发生的现象。
图 2.4 船模实验图2.2.3 实验描述（1）敞水实验对于敞水实验测试，螺旋桨应安装在水平轴上，水平轴位于其下游且约在未受干扰的水面下方一个螺旋桨直径的位置。该轴是刚性连接到牵引托车架上的，托车架上安装有测力计，该轴螺旋桨推进器的推进速度与牵引架的速度同步，并且由位于测力计顶部的电动机控制其旋转速率。实验以恒定的推进器旋转速度进行，并覆盖从零推力到零前进速度的范围。旋转速率通常选择螺旋桨，测力计和拖车的容量所允许的最高值，但在任何情况下都不应小于推进实验期间的转速。在每次测试运行之前，选择所需的前进速度。然后，牵引托车架从静止加速到这个速度，同时螺旋桨旋转速度被设定为其预定值。运行条件经过一段距离的加速和时间达到稳定，并且在进入匀速稳定的时间段之后，同时测量螺旋桨推力，扭矩，转速和前进速度，从中得到模型螺旋桨在不受限制的均匀流动中的性能特征的数据。（2）阻力实验
【学位单位】：杭州电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U661.311
【部分图文】：
检验新设计的船舶是否能达到预设标准的检验方式[43]。任何实尺度的船在投入生产或使用前，都需要经过船舶模型实验的验证。所以，船模实验是探究船舶阻力性能的必要方法。本节将从实验对象、实验平台及具体的实验操作来介绍本文的船模实验。2.2.1 实验对象选用一种带球鼻艏的方尾型船模进行阻力实验测定，缩尺比 λ=27.27，该船模为木质船模，船型主要参数如表 2.1 所示。表 2.1 船型参数表参数 全尺寸实船 实验用船模垂线间长 Lpp/m 187.25 6.87船宽 B/m 36.45 1.34设计水线长 Los/m 199.90 7.33吃水量 T/m 9.50 0.35湿面积 S/m2 7 816.00 10.51缩尺比λ 27.27 1.00
2.2.2 实验平台简介船模实验的平台是船模实验水池，目前，绝大多数实验水池都是拖车式的拖曳水池，也有一些是重力式的实验水池。本文采用拖车式拖曳水池进行船模实验。在拖曳水池中可以进行各类合适尺寸船模的阻力测试、流场性能实验、快速性检测等实验，之后可以根据船模表现的特性预报实船的相应航行性能[44]。拖车式实验水池主要有两个阶段，一个是速度加速段，另一个是速度稳定段，其阻力测量原理是拖车带动船模运动，当船模速度达到匀速时再测量其阻力（即等速度法）。现代拖曳水池拥有良好的实验条件，使用范围比重力式船模水池广泛。拖车式水池实验平台由水池区域、船模安装（包括拖车与导轨）区域、阻力仪等设备测量与记录区域和动力供给区域等组成。如图 2.3 所示，拖车安装在拖曳水池两边的导轨上。拖车有两个方面的作用：其一是拖车可以牵引船模以特定的速度在某一方向上行驶[45]。另一方面，拖车上可以安装如阻力仪、测速仪等多种实验所需的设备，甚至可以安装拍照和录影设备，用于实时记录和捕捉实验中发生的现象。
图 2.4 船模实验图2.2.3 实验描述（1）敞水实验对于敞水实验测试，螺旋桨应安装在水平轴上，水平轴位于其下游且约在未受干扰的水面下方一个螺旋桨直径的位置。该轴是刚性连接到牵引托车架上的，托车架上安装有测力计，该轴螺旋桨推进器的推进速度与牵引架的速度同步，并且由位于测力计顶部的电动机控制其旋转速率。实验以恒定的推进器旋转速度进行，并覆盖从零推力到零前进速度的范围。旋转速率通常选择螺旋桨，测力计和拖车的容量所允许的最高值，但在任何情况下都不应小于推进实验期间的转速。在每次测试运行之前，选择所需的前进速度。然后，牵引托车架从静止加速到这个速度，同时螺旋桨旋转速度被设定为其预定值。运行条件经过一段距离的加速和时间达到稳定，并且在进入匀速稳定的时间段之后，同时测量螺旋桨推力，扭矩，转速和前进速度，从中得到模型螺旋桨在不受限制的均匀流动中的性能特征的数据。（2）阻力实验
【参考文献】
相关期刊论文 前5条
1 陈悦;张秀萍;杨铃玉;谢云平;;大排水量长度系数中高速船阻力计算方法[J];舰船科学技术;2013年11期
2 陈伟;许辉;邱辽原;姜治芳;王晓U
本文编号：2826918
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/chuanbolw/2826918.html
