基于船—桨—舵全耦合求解的船舶自航性能数值预报方法研究

发布时间：2017-09-25 20:25

  本文关键词：基于船—桨—舵全耦合求解的船舶自航性能数值预报方法研究

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【摘要】：船舶在水中航行时其性能的优劣不仅取决于其自身特点,还与螺旋桨以及桨后舵密切相关。螺旋桨作为当前船舶最主要的推进器为船舶航行提供动力,船桨之间是否匹配对于船舶快速性、经济性有重要影响;桨后舵对于船舶运动稳定性以及运动方向调整有着至关重要的作用。在研究船舶性能时不能仅将目光聚焦在船舶本身,更应考虑船舶、螺旋桨以及舵所构成的整个系统产生的影响。因此深入开展船桨舵全耦合下的船舶性能研究对于当代船舶设计与优化具有重要意义和显著的工程价值。本文基于计算流体力学软件Fine/Marine,以KCS船以及其桨KP505和舵为研究对象,采用实体建模方法,开展了船体阻力计算、螺旋桨敞水性能计算,对船桨耦合下船舶自航运动、船桨舵全耦合下船舶自航运动以及回转运动进行数值模拟。船舶自航运动数值模拟的关键是如何实现船桨舵之间的相互耦合,本文基于FINE/Marine软件随体网格与滑移网格技术,构建了一种新的船桨舵全耦合数值求解模型和方法,计算中船舶的运动并非由给定来流等效替代产生而是直接由船后螺旋桨旋转产生推力引起,与实际情况相一致。在此基础上本文针对不同螺旋桨转速下的船舶自航运动进行实时数值计算,模拟了船舶从启动到稳定自航的整个过程,进而求得相关试验航速下的船舶实效自航点。船舶自航点的CFD预报与相关试验结果比较说明这种船桨舵全耦合数值求解模型和方法可以较为准确地模拟船舶自航运动。同时根据数值计算结果,分析了船舶自航运动中船-桨之间的相互作用以及船-桨-舵之间的相互作用。船舶回转运动研究同样是基于这种船桨舵全耦合数值求解模型和方法,通过改变初始舵角,对船舶转舵后的整个运动过程进行数值模拟。文中针对两种舵角δr=20°及35°下的船舶回转运动开展数值计算,得到了不同舵角下的船舶回转运动特性参数,完成了船舶回转运动轨迹曲线的绘制;通过与吓夫加特-桑海的经验公式计算结果相比较具有良好的一致性,验证了本文所建立的船桨舵全耦合数值求解模型和方法在研究船舶回转运动时的可靠性。本文通过开展船舶自航以及回转性能数值预报研究,建立了船桨舵全耦合数值求解模型和方法,可用于开展船舶在水中复杂运动的数值预报研究,为船舶优化设计提供可靠的分析方法和研究手段。
【关键词】：船桨舵全耦合 数值预报 船舶自航 船舶回转
【学位授予单位】：江苏科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U661
【目录】：

• 摘要5-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-24
• 1.1 引言14-15
• 1.2 国内外研究现状15-21
• 1.2.1 螺旋桨水动力性能15
• 1.2.2 船桨舵干扰问题研究进展15-19
• 1.2.3 船舶自航运动研究进展19-20
• 1.2.4 船舶回转运动研究进展20-21
• 1.3 本文主要内容21-24
• 第2章 CFD基本理论与数值方法24-38
• 2.1 引言24
• 2.2 计算流体动力学原理24-25
• 2.3 数值计算方法25-32
• 2.3.1 基本控制方程25-27
• 2.3.2 湍流模型27-30
• 2.3.3 数值离散方法30
• 2.3.4 自由液面捕捉法30-32
• 2.4 边界条件32-33
• 2.4.1 入流边界条件32
• 2.4.2 出流边界条件32
• 2.4.3 固体边界条件32-33
• 2.4.4 自由液面条件33
• 2.4.5 初始条件33
• 2.5 船舶运动方程33-36
• 2.6 本章小结36-38
• 第3章 船体及螺旋桨水动力性能研究38-54
• 3.1 粘性流场中船体阻力性能研究38-45
• 3.1.1 船体阻力性能38-39
• 3.1.2 计算模型39-40
• 3.1.3 计算域及网格划分40-42
• 3.1.4 数值求解和边界条件42-43
• 3.1.5 计算结果和分析43-44
• 3.1.6 实船阻力44-45
• 3.2 螺旋桨敞水性能研究45-52
• 3.2.1 螺旋桨敞水性能45-46
• 3.2.2 计算模型46-47
• 3.2.3 计算域及网格划分47-49
• 3.2.4 计算工况和边界条件49-50
• 3.2.5 计算结果和分析50-52
• 3.3 本章小结52-54
• 第4章 船舶自航性能数值预报研究54-90
• 4.1 引言54
• 4.2 计算原理54-58
• 4.2.1 相似定律54-56
• 4.2.2 实船自航点的确定56-57
• 4.2.3 实船推进性能预报57-58
• 4.3 船桨耦合下船舶自航性能数值计算58-69
• 4.3.1 计算模型58-59
• 4.3.2 计算域及网格划分59-61
• 4.3.3 计算工况及边界条件61-62
• 4.3.4 计算结果和分析62-68
• 4.3.5 实船功率预报68-69
• 4.4 船桨舵全耦合下船舶自航性能数值计算69-82
• 4.4.1 计算模型69-70
• 4.4.2 计算域及网格划分70-73
• 4.4.3 计算工况及边界条件73-74
• 4.4.4 计算结果和分析74-82
• 4.5 考虑升沉和纵摇方向的船桨舵全耦合下船舶自航性能数值计算82-88
• 4.5.1 相关问题及解决方法82
• 4.5.2 计算设定82-83
• 4.5.3 计算结果和分析83-88
• 4.6 本章小结88-90
• 第5章 船舶回转性能数值预报研究90-110
• 5.1 引言90
• 5.2 船舶回转运动90-94
• 5.2.1 回转运动特性参数90-91
• 5.2.2 船舶定常回转运动的一般方程91-92
• 5.2.3 船舶定常回转直径92-93
• 5.2.4 船舶回转过程降速93-94
• 5.3 船舶回转运动数值计算94-109
• 5.3.1 研究对象和计算域94-95
• 5.3.2 网格划分95-96
• 5.3.3 数值求解和边界条件96-97
• 5.3.4 计算结果和分析97-109
• 5.4 本章小结109-110
• 总结与展望110-114
• 参考文献114-120
• 攻读学位期间发表的学术论文120-122
• 致谢122-123
• 详细摘要123-128

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