【摘要】：船舶由靜止開(kāi)始向前航行排開(kāi)周?chē)w引起船體表面壓力分布不均,致使船體在垂直方向上運(yùn)動(dòng)同時(shí)伴隨縱傾角的變化。這種船舶由于航行產(chǎn)生的垂直位置的下沉和縱傾角變化的現(xiàn)象稱為船舶下沉。船體下沉量的計(jì)算精度對(duì)估計(jì)安全航行所需富余水深有著極其重要的影響。通過(guò)閱讀總結(jié)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)目前研究船體下沉量的常用方法有三種,分別為理論分析法、試驗(yàn)法及數(shù)值模擬法。理論分析法基于勢(shì)流理論,結(jié)果真實(shí)可靠但其假設(shè)條件過(guò)于理想化并且計(jì)算過(guò)程比較繁瑣,在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。試驗(yàn)法立足船模試驗(yàn)和實(shí)船數(shù)據(jù)回歸出經(jīng)驗(yàn)公式,但回歸得到經(jīng)驗(yàn)公式有嚴(yán)格的適用范圍。數(shù)值模擬法基于計(jì)算流體力學(xué)通過(guò)求解流場(chǎng)控制方程以模擬流場(chǎng)信息。該方法可以很好的模擬各種船體外部流場(chǎng),且耗資少且取得結(jié)果快。各位研究人員數(shù)十年研究表明,影響船體下沉量主要因素有船速、方形系數(shù)和航道深度。但目前研究結(jié)果基本上都是基于船體正浮的假設(shè),忽略了船體吃水差對(duì)船體下沉量的影響。而實(shí)際生產(chǎn)中船體存在吃水差是很常見(jiàn)的,并且己有研究[1]表明吃水差對(duì)船體阻力存在影響。為此,本文基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)利用FLUNET流體計(jì)算軟件使用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行研究吃水差對(duì)船體下沉量的影響。首先,將計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)知識(shí)應(yīng)用到船體下沉量求解上,介紹了結(jié)合船舶運(yùn)動(dòng)模型的數(shù)值求解下沉量方法;并針對(duì)數(shù)值方法中存在的離散誤差進(jìn)行了分析,得到能準(zhǔn)確求解下沉量的網(wǎng)格劃分尺寸、離散格式和時(shí)間步長(zhǎng)最佳設(shè)置。接著,使用提出的數(shù)值求解下沉量的方法建立Wigley船體下沉量計(jì)算模型,求解存在吃水差的船體在不同水深吃水比下的船體下沉量和存在吃水差的船體在不同速度下的船體下沉量。通過(guò)對(duì)計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)在深水域存在吃水差的船體下沉量與平吃水船體下沉量基本相等;而當(dāng)船體處于淺水域時(shí),吃水差對(duì)船體下沉量的影響不可忽略,且速度越大其對(duì)下沉量的影響越大,該結(jié)論通過(guò)分析船體附近流場(chǎng)信息得到證實(shí)。最后將存在吃水差的計(jì)算結(jié)果與平吃水比較回歸得到吃水差在不同航行環(huán)境下對(duì)船體下沉量的影響公式。吃水差對(duì)船體下沉量影響分為對(duì)船中下沉量的影響和對(duì)縱傾角變化的影響。船中下沉量變化量與初始縱傾角呈正相關(guān)關(guān)系;縱傾角變化量與初始縱傾角呈正比例關(guān)系。
【學(xué)位授予單位】：大連海事大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：U661;U698
【圖文】：

２．４影響數(shù)值計(jì)算誤差的因素逡逑上節(jié)闡述了計(jì)算船舶下沉量的數(shù)值方法，為確認(rèn)該方法的準(zhǔn)確性，需要對(duì)逡逑該方法進(jìn)行討論分析和驗(yàn)證。如圖２．４所示為ＣＦＤ求解過(guò)程中存在誤差的地方，逡逑首先對(duì)實(shí)際問(wèn)題建立概念模型，忽略次要的物理效應(yīng)，之后建立連續(xù)性數(shù)學(xué)模逡逑型，比如偏微分或積分方程。為了求解控制方程，需要引入一些假設(shè)或近似，逡逑如湍流模型等，從而帶來(lái)了了模型誤差。在確定邊界條件與初始條件后，微分逡逑方程可以保證有確定解，控制方程與相應(yīng)的初始條件、邊界條件的組合構(gòu)成對(duì)逡逑一個(gè)物理過(guò)程現(xiàn)象的完整的數(shù)學(xué)描述。為了數(shù)值上求解方程，需要在空間或時(shí)逡逑間離散，數(shù)值上引入算法帶來(lái)了離散誤差。通過(guò)數(shù)值方法將微分方程離散為網(wǎng)逡逑格節(jié)點(diǎn)上的一系列代數(shù)方程組，然后通過(guò)數(shù)值迭代方法求解代數(shù)方程組，以求逡

程進(jìn)行表示如下［５２］：逡逑ｙ＝ｆ邋１＿（ｔ）邋［１＿？．逡逑式中，Ｌ是船長(zhǎng)，Ｂ是船寬，Ｔ是吃水，主要參數(shù)Ｌ＝ｌｍ，邋Ｂ／Ｌ邋＝邋０．１，逡逑Ｔ／Ｌ邋＝邋０．０６２５，船體主尺度如表３．１所示：逡逑表３．１邋Ｗｉｇｌｅｙ船型主要參數(shù)逡逑Ｔａｂｌｅ３．１邋Ｍａｉｎ邋ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ邋ｏｆ邋Ｗｉｇｌｅｙ邋ｓｈｉｐ逡逑Ｌ／ｍ邐Ｂ／ｍ邐Ｔ／ｍ邐Ｖ／ｍ３逡逑Ｗｉｇｅｌｙ邐１邐０．１邐０．０６２５邐０．００２７７５逡逑由于船體型線規(guī)則未存在較大弧度的曲面故本文使用前處理軟件ＩＣＥＭ逡逑ＣＦＤ按照有點(diǎn)到線、由線到面的順序進(jìn)行船體建模。根據(jù)描述型值點(diǎn)坐標(biāo)的方逡逑程計(jì)算出型值點(diǎn)坐標(biāo)，將所有型值點(diǎn)坐標(biāo)導(dǎo)入前處理軟件，依據(jù)由上到下的三逡逑維建模方式進(jìn)行點(diǎn)線面的建模，最終得到Ｗｉｇｌｅｙ三維幾何船模如下圖所示：逡逑

盡可能遠(yuǎn)離感興趣的區(qū)域并且避免設(shè)置在幾何變化劇烈的地方或者有循環(huán)的尾逡逑跡區(qū)域。在本文之前己經(jīng)有很多研究這對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行了研究，本文也通過(guò)放逡逑置不同距離的出口進(jìn)行預(yù)實(shí)驗(yàn)，通過(guò)檢測(cè)不同位置處的壓力分布，如圖３．２所逡逑示，最終得到距船尾大于３倍船長(zhǎng)處流體充分發(fā)展，壓力分布不隨距離發(fā)生變逡逑化。逡逑＇逡逑１４０邐邐邐邐邐－邐邐邐？？＿？？？邐邐邐邐邐邐邐邐逡逑＇Ｉ邐逡逑＾邋＂＂＂＂＂＂＂邐｜＂ 邋Ｉ逡逑？邋；邋１逡逑＊－？逡逑ｉ邋８０－４－邋ｔ邐逡逑￣邐－邋—邋－Ｊ邋邋＊邐邐邋■邋－ｒ邐邋－ｒ－逡逑：Ｖ邐｜邐＿＿＿邐｜邐Ｉ逡逑４０－邐…’逡逑＼邋／逡逑邐邐Ｖ—逡逑ｉ邐■邐Ｊ邐ｉ邐＇邐■邐ｉ邐＇邐■邋■邐ｉ邐？邋？邋■邋？邐ｉ逡逑０邐０．５邐１邐１５邐２逡逑Ｙ［ｍ］逡逑邐０Ｌ邋邐邋ＩＬ邋２１邋邐邋３Ｌ逡逑圖３．２船尾后方不同距離處的壓力分布逡逑Ｆｉｇ．邋３．２邋Ｐｒｅｓｓｕｒｅ邋ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ邋ａｔ邋ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ邋ｄｉｓｔａｎｃｅｓ邋ｂｅｈｉｎｄ邋ｔｈｅ邋ｒｅａｒ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｓｈｉｐ＇ｓ邋ｔａｉｌ逡逑因此設(shè)置計(jì)算域下游邊界距船尾３倍船長(zhǎng)。底部邊界根據(jù)試驗(yàn)需要進(jìn)行設(shè)逡逑置，上部邊界對(duì)整個(gè)流場(chǎng)影響不大與船甲板距離設(shè)為二分之一船長(zhǎng)。最終建立逡逑的計(jì)算域如圖３．３所示，由于船體對(duì)稱且不考慮舵、槳的影響，船體外部流場(chǎng)逡逑沿船中縱面對(duì)稱

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 杜云龍;陳偉民;董國(guó)祥;;典型油船船模靜水阻力CFD計(jì)算策略探討[J];江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2017年05期

2 王建春;吳乘勝;王星;;中低雷諾數(shù)流動(dòng)直接數(shù)值模擬的算法比較（英文）[J];船舶力學(xué);2017年06期

3 王士倫;;淺水效應(yīng)下的船體下沉與縱傾研究[J];中國(guó)水運(yùn)(下半月);2017年05期

4 王化明;呂俊;陳林;吳寶山;趙春慧;;船舶多自由度斜航運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力數(shù)值研究（英文）[J];船舶力學(xué);2016年09期

5 吳明;王驍;應(yīng)榮昒;侯建軍;石愛(ài)國(guó);;船舶淺水航行下沉量和縱傾的數(shù)值計(jì)算[J];船舶;2013年03期

6 李超;吳明;關(guān)宇;王作超;石愛(ài)國(guó);;一種改進(jìn)的船舶下沉量計(jì)算公式[J];艦船科學(xué)技術(shù);2013年03期

7 倪崇本;朱仁傳;繆國(guó)平;范菊;;計(jì)及航行姿態(tài)變化的高速多體船阻力預(yù)報(bào)[J];水動(dòng)力學(xué)研究與進(jìn)展A輯;2011年01期

8 吳乘勝;陳雄;孫立憲;顧民;朱德祥;;靜水中自由船模拖曳CFD模擬方法研究[J];船舶力學(xué);2010年08期

9 胡洪;黃虎;宋倩倩;陳澤民;;不同對(duì)流項(xiàng)離散格式對(duì)流場(chǎng)計(jì)算的影響[J];數(shù)值計(jì)算與計(jì)算機(jī)應(yīng)用;2010年02期

10 吳方良;吳曉光;許建;馬運(yùn)義;何漢保;;潛艇主艇體三維粘性流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法研究[J];中國(guó)造船;2009年02期

相關(guān)會(huì)議論文 前2條

1 鄭峰敏;李云波;;基于CFD的Wigley船型流場(chǎng)模擬及阻力預(yù)報(bào)[A];2013年船舶水動(dòng)力學(xué)學(xué)術(shù)會(huì)議論文集[C];2013年

2 姚朝幫;董文才;;基于Fluent計(jì)及浮態(tài)變化的中高速船阻力預(yù)報(bào)方法研究[A];七屆更迭 三十回眸——第七屆船舶力學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì)全體會(huì)議論文集[C];2010年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前3條

1 廉靜靜;三維數(shù)值水池及船舶操縱性水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算[D];大連海事大學(xué);2013年

2 王化明;限制水域操縱運(yùn)動(dòng)船舶粘性流場(chǎng)及水動(dòng)力數(shù)值研究[D];上海交通大學(xué);2009年

3 馮大奎;繞船舶自由面流動(dòng)的時(shí)域分析和數(shù)值計(jì)算[D];華中科技大學(xué);2008年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前5條

1 張德興;基于CFD靜態(tài)箱形體風(fēng)場(chǎng)特征的研究[D];大連海事大學(xué);2017年

2 崔健;規(guī)則波中箱型駁船頂浪航行波浪力特征的研究[D];大連海事大學(xué);2016年

3 陳遠(yuǎn)超;基于CFD的船舶數(shù)值水池研究[D];中國(guó)艦船研究院;2016年

4 肖丹;基于CFD的船舶阻力性能研究[D];大連理工大學(xué);2014年

5 樓鵬宇;限制水域中純橫蕩運(yùn)動(dòng)船體水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算[D];上海交通大學(xué);2012年

本文編號(hào)：2750311