本文關鍵詞：基于勢流—黏流耦合計算的船體自航性能CFD研究

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【摘要】：推進器作為船舶航行動力的核心,與船舶的快速性、經(jīng)濟型和安全性等性能因素緊緊相關。螺旋槳是目前應用最為廣泛的一種推進器,與船體構(gòu)成一個完整的系統(tǒng),槳和船體的相互作用對船舶性能有著多方面的影響。因此,船槳之間的相互作用的深入研究,在傳統(tǒng)船型的優(yōu)化設計、新船型開發(fā)和船舶航行性能改善等方面將起到重要的作用。具有一定的理論意義和工程實踐價值。在流體力學的研究中,常用的方法有理論研究方法、數(shù)值計算方法和實驗研究方法。理論研究方法,盡管能夠普遍、清晰地揭示出流動的內(nèi)在規(guī)律,但其受到理論模型簡單且模型數(shù)量少的限制,還不能夠切實有效地解決實際工程問題。實驗研究方法雖然具有能夠得到可靠流場信息的顯著特點,卻常由于相似準則局限的原因,不能夠全部滿足尺寸限制、邊界影響等,并且還需要投入大量的經(jīng)費。數(shù)值計算方法需要較少的經(jīng)費,并且耗費時間少,計算結(jié)果的精度也很高。近年來,隨著計算機技術不斷地發(fā)展和進步,使得計算機在解決計算量大的問題時,在經(jīng)費支出和時間成本上擁有明顯的優(yōu)勢。在此情景下,計算流體動力學(CFD)受到了很多研究學者的青睞,使得其在研究船舶性能方面擁有廣闊的前景。船舶的推進性能和自航性能研究中涉及到船槳相互作用的問題。本文應用商用CFD軟件FLUENT,使用迭代型體積力模型代替真實螺旋槳在船后的作用,分別對船舶在一定螺旋槳轉(zhuǎn)速下的推進性能和船舶的自航性能進行了數(shù)值模擬計算。利用基于升力面法中的渦格法(Vortex Lattice Method,VLM)的螺旋槳勢流程序?qū)Υ舐菪龢乃畡恿π阅苓M行計算,使用FLUENT軟件中自帶的用戶自定義功能(User-Defined Function,UDF)將體積力加載到FLUENT中進行黏流計算,在黏流計算收斂后,將船后螺旋槳作用區(qū)域的速度場通過UDF輸出給勢流程序繼續(xù)計算,這樣勢流-黏流間相互迭代數(shù)次后,直至螺旋槳的性能參數(shù)收斂為止。計算結(jié)果表明,采用迭代型體積力模型代替螺旋槳的作用,能夠在較短的時間內(nèi)準確地完成船舶性能的預報工作。
【關鍵詞】：CFD 船槳干擾 船舶自航 升力面法 迭代型體積力模型 耦合計算
【學位授予單位】：上海交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：U661;U664.33
【目錄】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-12
• 第一章 緒論12-17
• 1.1 概述12-13
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀13-16
• 1.2.1 船舶螺旋槳水動力研究概況13-14
• 1.2.2 船槳干擾問題研究概況14-16
• 1.3 本文的主要內(nèi)容及研究意義16-17
• 第二章 螺旋槳敞水計算的數(shù)值方法17-39
• 2.1 引言17
• 2.2 螺旋槳升力面理論基礎17-38
• 2.2.1 速度勢基礎17-20
• 2.2.2 格林公式20-23
• 2.2.3 薄翼理論23-25
• 2.2.4 升力面理論基礎25-28
• 2.2.5 螺旋槳定常升力面求解步驟28-38
• 2.3 本章小結(jié)38-39
• 第三章 用升力面法計算螺旋槳性能39-47
• 3.1 引言39
• 3.2 計算模型39-40
• 3.3 KP505敞水計算結(jié)果40-42
• 3.4 KP505非均勻流場計算結(jié)果42-46
• 3.5 本章小結(jié)46-47
• 第四章 黏性流場數(shù)值計算的基本理論47-67
• 4.1 CFD技術介紹47-48
• 4.2 基本控制方程48-52
• 4.2.1 連續(xù)性方程48-50
• 4.2.2 動量方程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 流體力學基本方程的初始及邊界條件59-61
• 4.4.1 初始條件59-60
• 4.4.2 邊界條件60-61
• 4.5 數(shù)值求解方法61-65
• 4.5.1 離散方法61-63
• 4.5.2 迭代求解方法63-65
• 4.6 網(wǎng)格生成技術65
• 4.6.1 結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格65
• 4.6.2 非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格65
• 4.7 本章小結(jié)65-67
• 第五章 船模阻力數(shù)值計算67-78
• 5.1 引言67
• 5.2 阻力的基本概念67-71
• 5.2.1 阻力的分類67-68
• 5.2.2 阻力相似定律68-71
• 5.3 VOF多相流模型71
• 5.4 船模阻力計算71-77
• 5.4.1 研究對象71-72
• 5.4.2 計算區(qū)域72-73
• 5.4.3 網(wǎng)格劃分73-74
• 5.4.4 數(shù)值求解和邊界條件74-75
• 5.4.5 裸船體的總阻力及標稱伴流系數(shù)75-77
• 5.5 本章小結(jié)77-78
• 第六章 應用迭代型體積力法預報船舶推進性能78-97
• 6.1 引言78-79
• 6.2 勢流計算速度場分布的確定79-80
• 6.3 勢流-黏流耦合計算80-88
• 6.3.1 黏流計算加載勢流體積力80-83
• 6.3.2 求取螺旋槳的實效伴流83-88
• 6.4 預報船舶的推進性能參數(shù)88-93
• 6.5 耦合勢流-黏流的程序開發(fā)93-96
• 6.5.1 用戶自定義函數(shù)（UDF）概述93
• 6.5.2 journal文件概述93-94
• 6.5.3 耦合程序的開發(fā)94-96
• 6.6 本章小結(jié)96-97
• 第七章 應用迭代型體積力法預報船舶自航性能97-107
• 7.1 引言97
• 7.2 數(shù)值計算原理97-99
• 7.2.1 相似定律97-98
• 7.2.2 實船自航點的確定98-99
• 7.3 船槳自航性能求解99-105
• 7.3.1 預報船舶自航性能的流程99-101
• 7.3.2 自航點螺旋槳轉(zhuǎn)速的確定101
• 7.3.3 計算結(jié)果分析101-105
• 7.4 耦合勢流-黏流程序的開發(fā)105-106
• 7.5 本章小結(jié)106-107
• 第八章 總結(jié)與展望107-110
• 8.1 工作總結(jié)107
• 8.2 工作展望107-110
• 致謝110-111
• 參考文獻111-115
• 攻讀學位期間發(fā)表的學術論文115

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