破浪航行双体船的水动力性能分析

发布时间：2017-08-24 20:16

  本文关键词：破浪航行双体船的水动力性能分析

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【摘要】：船舶耐波性的准确预报是船舶设计的关键要素之一。船舶在波浪中航行时,产生的垂荡和纵摇等运动会造成船舶阻力增加;波浪冲上甲板发生的强非线性现象使得耐波性问题更加复杂。目前对于船舶耐波性的研究可分为物理模型实验和数值模拟两种方法。物理模型实验可靠性高,但是成本高、周期长,易受到测量设备的限制。传统的数值计算方法大都基于势流理论,忽略了流体粘性作用,很难考虑非线性影响。相比之下,基于粘性流理论的计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)可充分考虑粘性效应和非线性效应,因此得到了广泛的关注。本文在系统地回顾和总结船体运动响应和波浪增阻等水动力学问题的基础上,展开了如下研究工作:首先,基于CFD软件FINE/Marine建立了三维数值波浪水池,通过求解不可压缩RANS(Reynolds-Average Navier-Stokes)方程和k-ω(SST-Menter)湍流模型模拟船体阻力和粘性流场。先对收敛性进行了系统的验证,然后对标准Wigley船在静水中匀速航行问题进行了数值模拟,将得到的波切图、波高图、船体表面压力分布图和兴波阻力等结果与模型实验结果进行对比,结果吻合良好,验证了数值模型在兴波问题上的计算精度。其次,进行了航行船舶辐射问题的数值模拟,模拟了不同频率下Wigley船的强制垂荡和纵摇运动,计算了附加质量和辐射阻尼系数,并与实验值进行对比验证了辐射问题的精度。再模拟Wigley船在不同波长的规则波下以固定航姿航行所受到的波浪激振力:垂荡力、纵荡力和纵摇力矩,与实验结果对比验证了绕射问题的精度。而后,计算了其分别在线性波浪和非线性波浪中的船体运动和波浪增阻,将线性波浪中的结果与相应的实验结果进行对比,验证了其模拟自由运动问题的精确性和可靠性;通过对比线性波浪和非线性波浪中计算结果的差别,来探究非线性效应对波浪增阻的影响。最后,模拟双体Wigley船在静水中航行的定常兴波问题,计算兴波阻力系数与相应实验结果对比,验证了数值模型的适用性。然后计算双体Wigley船分别在线性波浪和非线性波浪中航行的船体运动和波浪增阻,并与单体船展开对比,发现双体船的耐波性要优于单体船。研究结果表明,本文的方法能准确模拟破浪航行双体船的水动力性能,能详细描述船体周围的粘性流场,能广泛应用到更多船型和结构物的水动力性能研究。
【关键词】：水动力性能 CFD 数值水池 Wigley船 FINE/Marine
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U661.1;U674.951
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-17
• 1.1 课题研究的目的和意义11-12
• 1.2 双体船的水动力研究概况12-14
• 1.2.1 双体船的发展现状12-13
• 1.2.2 双体船水动力研究13-14
• 1.3 运动响应和波浪增阻研究历程14-15
• 1.4 船舶CFD技术研究进展15-16
• 1.5 本文主要工作16-17
• 第2章 数值模拟的基本理论和方法17-34
• 2.1 势流数值波浪水池17-21
• 2.1.1 定常问题19-20
• 2.1.2 辐射问题20
• 2.1.3 绕射问题20-21
• 2.2 粘流数值波浪水池21-33
• 2.2.1 控制方程21-23
• 2.2.2 湍流模型23-26
• 2.2.3 数值计算过程26-32
• 2.2.4 数值造波32-33
• 2.3 本章小结33-34
• 第3章 数值模型的验证34-61
• 3.1 Wigley船兴波阻力问题34-44
• 3.1.1 收敛性研究35-39
• 3.1.2 船侧波切图39
• 3.1.3 波形图39-42
• 3.1.4 压力分布42-43
• 3.1.5 兴波阻力43-44
• 3.2 Wigley船辐射问题44-51
• 3.2.1 Wigley船模型45
• 3.2.2 辐射运动描述45-47
• 3.2.3 收敛性研究47-48
• 3.2.4 附加质量和辐射阻尼系数48-51
• 3.2.5 非定常波形51
• 3.3 Wigley船绕射问题51-54
• 3.3.1 数值模拟设置51
• 3.3.2 计算结果和分析51-54
• 3.4 Wigley船在线性波浪中的自由运动和波浪增阻54-57
• 3.4.1 数值模拟设置54
• 3.4.2 船体运动54-56
• 3.4.3 波浪增阻56-57
• 3.5 Wigley船在非线性波浪中的自由运动和波浪增阻57-60
• 3.5.1 船体运动57-59
• 3.5.2 波浪增阻59
• 3.5.3 波浪增阻对总阻力的影响59-60
• 3.6 本章小结60-61
• 第4章 双体船的数值计算61-75
• 4.1 双体船的兴波阻力问题61-66
• 4.1.1 船侧波切图61-63
• 4.1.2 波形图63-64
• 4.1.3 兴波阻力64
• 4.1.4 粘性阻力对总阻力的影响64-66
• 4.2 双体船在线性波浪中的自由运动和波浪增阻66-70
• 4.2.1 船体运动66-68
• 4.2.2 波浪增阻68-69
• 4.2.3 波浪增阻对总阻力的影响69-70
• 4.3 双体船在非线性波浪中的自由运动和波浪增阻70-73
• 4.3.1 船体运动70
• 4.3.2 波浪增阻70-73
• 4.3.3 波浪增阻对总阻力的影响73
• 4.4 本章小结73-75
• 结论75-77
• 参考文献77-81
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果81-83
• 致谢83

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本文编号：732919