本文關(guān)鍵詞：基于CFD的船舶數(shù)值水池研究

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【摘要】：隨著計算機硬件水平的提升和現(xiàn)代數(shù)值算法的改進(jìn),船舶性能數(shù)值水池技術(shù)已然成為船舶研究和設(shè)計中不可或缺的重要手段。與物理試驗水池相比較,一方面,數(shù)值水池周期短,消耗資源少且成本低,符合社會低碳要求;另一方面,數(shù)值水池的應(yīng)用能夠推進(jìn)船舶設(shè)計由傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計模式逐步向全新的知識化設(shè)計模式轉(zhuǎn)化,從而擺脫對船舶設(shè)計工程師經(jīng)驗、母型船等的強烈依賴。同時,船舶數(shù)值水池能夠?qū)⑿阅茴A(yù)報、分析評估融入新型船舶的設(shè)計中,實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計,這是物理試驗水池難以企及的。本文深入系統(tǒng)地闡述了基于數(shù)值水池的船舶水動力性能預(yù)報研究歷程與進(jìn)展,以黏性RANS方程的繞流場數(shù)值求解方法為基礎(chǔ),針對船舶靜水阻力精確預(yù)報、耐波性預(yù)報及操縱性預(yù)報關(guān)鍵技術(shù)和難點開展研究。具體的工作內(nèi)容包括有:(1)詳細(xì)地介紹了中低速船舶靜水阻力精確預(yù)報存在的難點,并以某型帶球鼻艏的海洋環(huán)境監(jiān)測船(0.1Fr0.4)為研究對象,就各種難點提出相應(yīng)的解決方案。數(shù)值模擬基于動態(tài)平衡方法,計及流體黏性和船體航行姿態(tài)的影響精確預(yù)報船舶靜水阻力;網(wǎng)格劃分過程中采用由體到面的網(wǎng)格生成技術(shù)及八叉樹網(wǎng)格拆分方法,其適用于船舶繞流場的數(shù)值模擬;將激勵盤螺旋槳應(yīng)用于數(shù)值船模,使數(shù)值船模航行狀態(tài)與模型實驗相同。對比分析數(shù)值模擬結(jié)果與模型試驗數(shù)據(jù),船舶靜水阻力最大誤差不超過1.7%,船舶繞流場信息亦十分接近。論文提出的數(shù)值模擬方案能夠精確預(yù)報中低速船舶靜水阻力。(2)船舶在高速運動過程中,航行姿態(tài)較中低速船舶變化明顯,基于動網(wǎng)格技術(shù)數(shù)值求解高速運動船舶靜水阻力時,船體壁面處細(xì)小網(wǎng)格會隨著船體姿態(tài)的變化發(fā)生較大的扭曲變形,網(wǎng)格質(zhì)量隨之降低,從而導(dǎo)致數(shù)值計算精度下降、數(shù)值發(fā)散等問題。以某型穿浪雙體船(0.6Fr1.0)為研究對象,對于高速運動船舶靜水阻力的精確預(yù)報,提出了一種新的基于分步數(shù)值計算的方法,在動態(tài)平衡方法的基礎(chǔ)上,將船體航行姿態(tài)和阻力分步進(jìn)行預(yù)報。首先開展數(shù)值計算粗估船體高速運動穩(wěn)定后的平衡姿態(tài);然后將粗估得到的船體平衡姿態(tài)作為初始狀態(tài),計及流體黏性和船體航行姿態(tài)的影響,再次進(jìn)行數(shù)值計算精確預(yù)報船體直航阻力。由于粗估得到的船體高速運動穩(wěn)定后的平衡姿態(tài)與最終平衡姿態(tài)十分接近,采用動網(wǎng)格技術(shù)進(jìn)行數(shù)值計算時,并不會造成由于網(wǎng)格扭曲變形過大產(chǎn)生的數(shù)值計算精度降低和數(shù)值發(fā)散等問題。論文提出的數(shù)值計算方法能夠?qū)⒏咚俅办o水阻力預(yù)報精度控制在5%以內(nèi),其為高速及超高速船舶的阻力精確預(yù)報提供了新的途徑。(3)現(xiàn)階段船舶耐波性數(shù)值模擬主要基于勢流理論,或者對于船體的運動還只是給定速度的強迫振蕩運動,是預(yù)先指定船舶運動的水動力問題數(shù)值求解,并未實現(xiàn)船體運動與流場的耦合。本文基于CFD多相流理論與動網(wǎng)格技術(shù),采用同時求解黏性RANS方程與船體運動方程的方式,實現(xiàn)了Wigley-III型船模垂蕩和縱搖兩自由度運動與流場的耦合求解。(4)以KVLCC2型船模為研究對象,依據(jù)Abkowitz非線性操縱運動數(shù)學(xué)模型、小振幅平面運動理論建立平面運動機構(gòu)試驗水動力模型,基于CFD多相流理論和動網(wǎng)格技術(shù)構(gòu)建船舶純橫蕩、純艏搖操縱性數(shù)值水池。數(shù)值模擬結(jié)果與試驗數(shù)據(jù)在相位變化方面吻合較好,且幅值精度較高,很好地驗證了數(shù)值模擬船模平面運動機構(gòu)試驗的可行性和有效性。
【學(xué)位授予單位】：中國艦船研究院
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U661.1

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本文編號：1242658