基于CFD技术的静水中船舶强迫横摇虚拟试验策略研究

发布时间：2020-09-28 13:23

　　船舶在海上的运动可以通过建立横摇运动微分方程来求解,因此需要确定微分方程中的系数。能否准确预报横摇阻尼是横摇运动特性预报的关键和难点,以往基于势流理论的阻尼预报方法只考虑五种横摇阻尼成分中的兴波阻尼,如果不对势流理论加以修正,横摇阻尼预报精度就不具有工程实用性。本文基于CFD技术借助商业CFD求解器对静水中强迫横摇分别进行了二维和三维数值模拟研究,制定了准确预报阻尼系数的CFD模拟策略。同时,二维模拟中还研究了CFD预报横摇阻尼的不确定度,三维模拟中对大幅横摇过程产生的物理现象及舭龙骨减摇效果展开探讨。二维模拟计算量小,更适合零航速下对船体剖面横摇阻尼的快速预报及其他问题的研究。在强迫横摇试验的二维CFD模拟中,作者基于滑移网格技术,详细阐述了采用商业CFD软件FLUENT,模拟强迫横摇试验的计算域、网格、边界条件、时间步长、第一层网格尺寸设置策略,并将这些因素逐一进行了敏感性及收敛性分析。采用能量法获取阻尼系数,与模型试验结果比对,二者结果吻合良好。同时,还研究了CFD预报阻尼系数的不确定度。有航速下,摇荡阻尼取决于航速的大小,因此,有必要研究强迫横摇试验的三维CFD模拟策略。在三维模拟策略的研究中,采用商业CFD软件STAR-CCM+,同样是基于滑移网格技术进行了强迫横摇虚拟试验,CFD预报结果与现有的试验结果对比,二者结果吻合较好。此外,还发现大摇幅时等效线性阻尼系数下的阻尼力矩与实际阻尼力矩有差距。在极端海况下常常出现大幅横摇运动,大幅横摇运动常常导致的舭龙骨出水,通过采用CFD模拟静水中大幅横摇运动,从力学角度研究舭龙骨出水导致的减摇效果剧减的原因,同时还展示了舭龙骨出水再入水所发生的气泡掺混现象,这与其全浸没时的情况是截然不同的。此外,本文还应用CFD技术计算了带单侧舭龙骨圆柱体在强迫横摇过程中的舭龙骨压力载荷,发现舭龙骨压力载荷与横摇阻尼有密切联系,且研究表明随着舭龙骨宽度增加,舭龙骨压力载荷增大,横摇阻尼系数上升。舭龙骨的剖面形状也是影响舭龙骨压力载荷及横摇阻尼系数的重要因素。经对比研究几种舭龙骨剖面形状,发现平板型舭龙骨较楔形及其他复杂型剖面舭龙骨有更好的减摇效果。
【学位单位】：哈尔滨工程大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：U661.74
【部分图文】：

横摇运动,侧翻,船舶,互联网

图 1.1 船舶大幅横摇运动侧翻事故（图片来自互联网）船舶在海上航行遭遇到横浪或斜浪的扰动时极易产生横摇运动，即使遭遇迎浪或者随浪，外力及其他激励因素可能诱导横摇运动的产生。横摇运动对于船舶航行尤为危险它是导致船舶倾覆的最主要原因。山东烟台大轮船轮渡有限公司大舜号滚装船于 199年 11 月 24 日由烟台地方港驶往大连港，因途中遇风浪遂返航。调整航向时船舶在横风横浪下行驶，使得船体产生大角度横摇。船上载有的由于系固松动，车辆产生位移、碰

操作界面

操作简便，而且几乎可以导入所有格式的 CAD/CAE 的几对几何进行修改，且几何的精度能够得到保证，修改后导出分析软件如 STAR-CCM+。T 软件是通用 CFD 求解器，具有强大的网格支持能力，对于结构/非结构）和三角形网格，对于三维问题可以使用六面体以及楔形单元，支持界面不连续的网格、混合网格、动/变形意的是 FLUENT 所包含的湍流模型和壁面函数模型最为丰富M+所不具有 RNGk- 湍流模型。为便于用户进行二次开发，可编写用户自定义函数（UDF）。-CCM+简介CM+ 是由 CD-adapco 公司开发的流体分析软件。 STAR-有的多面体网格技术、操作界面非常友好，从几何建模到分作界面上完成。

初始网格,相对滑动,位置图,网格

图 2.1(a) 初始网格位置图 2.1(b) 相对滑动后网格位置滑移网格中交界面的信息交互方式是交界面两侧的节点向对面延伸一定距离，延伸网格与交界面相邻区域网格相互重叠（如图 2.2 中所示）传递信息。那么，通过延伸产生的点称为滑移点，延伸形成的单元叫做滑移单元，滑移点延伸达到的单元称为寄主单元。二维情况下，滑移交界面（线）向外延伸成四边形单元。三维情况下，边界面上的三角形单元向外延伸成三棱柱，四边形向外延伸成为六面体。通常根据外延点所在单元的尺度来决定向外延伸的距离，使用相邻单元搜索和非守恒性插值进行宿主单元的搜索和插值型函数的构造。滑移边界的构造、宿主单元搜索以及插值型函数计算都要在每个时间步重新计算。边界上的滑移点和滑移单元都在本区域网格之外，与相邻计算域的网格重叠，从而封闭边界面上网格点处控制体，实现滑移交界面上的通量计算。

【参考文献】