基于势流—黏流耦合计算的船体自航性能CFD研究

发布时间：2017-08-30 11:23

  本文关键词：基于势流—黏流耦合计算的船体自航性能CFD研究

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【摘要】：推进器作为船舶航行动力的核心,与船舶的快速性、经济型和安全性等性能因素紧紧相关。螺旋桨是目前应用最为广泛的一种推进器,与船体构成一个完整的系统,桨和船体的相互作用对船舶性能有着多方面的影响。因此,船桨之间的相互作用的深入研究,在传统船型的优化设计、新船型开发和船舶航行性能改善等方面将起到重要的作用。具有一定的理论意义和工程实践价值。在流体力学的研究中,常用的方法有理论研究方法、数值计算方法和实验研究方法。理论研究方法,尽管能够普遍、清晰地揭示出流动的内在规律,但其受到理论模型简单且模型数量少的限制,还不能够切实有效地解决实际工程问题。实验研究方法虽然具有能够得到可靠流场信息的显著特点,却常由于相似准则局限的原因,不能够全部满足尺寸限制、边界影响等,并且还需要投入大量的经费。数值计算方法需要较少的经费,并且耗费时间少,计算结果的精度也很高。近年来,随着计算机技术不断地发展和进步,使得计算机在解决计算量大的问题时,在经费支出和时间成本上拥有明显的优势。在此情景下,计算流体动力学(CFD)受到了很多研究学者的青睐,使得其在研究船舶性能方面拥有广阔的前景。船舶的推进性能和自航性能研究中涉及到船桨相互作用的问题。本文应用商用CFD软件FLUENT,使用迭代型体积力模型代替真实螺旋桨在船后的作用,分别对船舶在一定螺旋桨转速下的推进性能和船舶的自航性能进行了数值模拟计算。利用基于升力面法中的涡格法(Vortex Lattice Method,VLM)的螺旋桨势流程序对船后螺旋桨的水动力性能进行计算,使用FLUENT软件中自带的用户自定义功能(User-Defined Function,UDF)将体积力加载到FLUENT中进行黏流计算,在黏流计算收敛后,将船后螺旋桨作用区域的速度场通过UDF输出给势流程序继续计算,这样势流-黏流间相互迭代数次后,直至螺旋桨的性能参数收敛为止。计算结果表明,采用迭代型体积力模型代替螺旋桨的作用,能够在较短的时间内准确地完成船舶性能的预报工作。
【关键词】：CFD 船桨干扰 船舶自航 升力面法 迭代型体积力模型 耦合计算
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U661;U664.33
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 绪论12-17
• 1.1 概述12-13
• 1.2 国内外研究现状13-16
• 1.2.1 船舶螺旋桨水动力研究概况13-14
• 1.2.2 船桨干扰问题研究概况14-16
• 1.3 本文的主要内容及研究意义16-17
• 第二章 螺旋桨敞水计算的数值方法17-39
• 2.1 引言17
• 2.2 螺旋桨升力面理论基础17-38
• 2.2.1 速度势基础17-20
• 2.2.2 格林公式20-23
• 2.2.3 薄翼理论23-25
• 2.2.4 升力面理论基础25-28
• 2.2.5 螺旋桨定常升力面求解步骤28-38
• 2.3 本章小结38-39
• 第三章 用升力面法计算螺旋桨性能39-47
• 3.1 引言39
• 3.2 计算模型39-40
• 3.3 KP505敞水计算结果40-42
• 3.4 KP505非均匀流场计算结果42-46
• 3.5 本章小结46-47
• 第四章 黏性流场数值计算的基本理论47-67
• 4.1 CFD技术介绍47-48
• 4.2 基本控制方程48-52
• 4.2.1 连续性方程48-50
• 4.2.2 动量方程50-52
• 4.3 湍流控制方程52-59
• 4.3.1 一方程模型53-54
• 4.3.2 k-E模型54-57
• 4.3.3 RSM模型57-58
• 4.3.4 LES模型58-59
• 4.4 流体力学基本方程的初始及边界条件59-61
• 4.4.1 初始条件59-60
• 4.4.2 边界条件60-61
• 4.5 数值求解方法61-65
• 4.5.1 离散方法61-63
• 4.5.2 迭代求解方法63-65
• 4.6 网格生成技术65
• 4.6.1 结构化网格65
• 4.6.2 非结构化网格65
• 4.7 本章小结65-67
• 第五章 船模阻力数值计算67-78
• 5.1 引言67
• 5.2 阻力的基本概念67-71
• 5.2.1 阻力的分类67-68
• 5.2.2 阻力相似定律68-71
• 5.3 VOF多相流模型71
• 5.4 船模阻力计算71-77
• 5.4.1 研究对象71-72
• 5.4.2 计算区域72-73
• 5.4.3 网格划分73-74
• 5.4.4 数值求解和边界条件74-75
• 5.4.5 裸船体的总阻力及标称伴流系数75-77
• 5.5 本章小结77-78
• 第六章 应用迭代型体积力法预报船舶推进性能78-97
• 6.1 引言78-79
• 6.2 势流计算速度场分布的确定79-80
• 6.3 势流-黏流耦合计算80-88
• 6.3.1 黏流计算加载势流体积力80-83
• 6.3.2 求取螺旋桨的实效伴流83-88
• 6.4 预报船舶的推进性能参数88-93
• 6.5 耦合势流-黏流的程序开发93-96
• 6.5.1 用户自定义函数（UDF）概述93
• 6.5.2 journal文件概述93-94
• 6.5.3 耦合程序的开发94-96
• 6.6 本章小结96-97
• 第七章 应用迭代型体积力法预报船舶自航性能97-107
• 7.1 引言97
• 7.2 数值计算原理97-99
• 7.2.1 相似定律97-98
• 7.2.2 实船自航点的确定98-99
• 7.3 船桨自航性能求解99-105
• 7.3.1 预报船舶自航性能的流程99-101
• 7.3.2 自航点螺旋桨转速的确定101
• 7.3.3 计算结果分析101-105
• 7.4 耦合势流-黏流程序的开发105-106
• 7.5 本章小结106-107
• 第八章 总结与展望107-110
• 8.1 工作总结107
• 8.2 工作展望107-110
• 致谢110-111
• 参考文献111-115
• 攻读学位期间发表的学术论文115

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