三体船构型变化对流场和阻力的影响研究

论文摘要

21世纪已被认为是海洋的世纪,海洋考察、开发利用、海运、海防等都需要高速与高性能舰船。三体船作为一种新型船舶,因其优异的性能日益受到人们的关注,许多国家进行了大量的试验和理论研究,并已有若干实船投入使用。三体船侧体的存在使船体周围流场变得十分复杂,同时也使三体船水动力发生很大变化,如何准确模拟三体船周围流场分布、优化侧体布局、改善三体船体水动力性能成为了学者研究的热点。本文首先探讨了FLUENT软件在计算三体船阻力中的可行性,通过与试验值的比较发现其在低速段的模拟比较精确,但是高速时会产生一定的偏差。总体精度可以保证其被用来作为三体船布局优化的一种工具,然后,对五种常用的湍流模式进行了比较,分析得出针对该船型和该网格划分格式下,在预报阻力方面k-ω类湍流模型要优于k-ε类湍流模型,且这些湍流模型在自由面的模拟中都能较为准确的捕捉到三体船之间明显的兴波干扰。为了探讨三体船构型对阻力性能的影响,考虑到CFD方法在计算中耗时较长,为此,本文推导了线性Michell积分的三体船兴波阻力公式并编制了程序,通过计算值与试验值的比较发现其在计算精度方面有所欠缺,但是总体上能够反映处侧体布局与阻力之间的关系趋势,可以用于初步优化三体船侧体布局。据此,本文采用枚举法编制了三体船侧体布局的优化程序。最后,本文选取了九种不同的侧体布局,进行了变侧体布局情况下的流场数值模拟。通过侧体布局变化对自由液面和船体表面动压力影响的研究,发现侧体布局变化时,对三体船艏部兴波的影响较小,但是会明显的影响三体船舯部和艉部的兴波,合理的配置三体船的侧体布局会对三体船的兴波产生有利影响。通过阻力、自由面波形、船体表面动压力的比较分析,发现侧体的不同布局方案会对三体船阻力产生较为明显的影响。三体船侧体纵横向偏距的适当配合可使其阻力性能较好。不同航速时,对应的侧体优化位置不同：低速时,侧体位置向前布置对阻力较为有利；高速时,侧体向后布置对改善阻力性能有益。最后,通过对流场湍流强度和阻力,升力之间的关系分析,发现其大致上阻力与湍流强度有呈反比关系的趋势,湍流强度越大阻力越小。但是升力和湍流强度的关系较为复杂。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的背景和意义
• 1.2 线性兴波阻力理论的研究概况
• 1.3 船舶CFD的研究概况
• 1.4 湍流理论发展概况
• 1.5 三体船发展概况
• 1.6 本文的主要工作
• 第2章 数值模拟的基本理论
• 2.1 前言
• 2.2 基本控制方程
• 2.2.1 质量守恒方程
• 2.2.2 动量守恒方程
• 2.2.3 能量守恒方程
• 2.3 基于SIMPLE算法的数值计算
• 2.4 湍流模型
• 2.4.1 标准k-ε模型
• 2.4.2 RNG k-ε模型
• 2.4.3 Realizable k-ε模型
• 2.4.4 标准k-ω模型
• 2.4.5 SST k-ω模型
• 2.5 边界条件
• 2.5.1 进口边界条件
• 2.5.2 出口边界条件
• 2.5.3 壁面、对称边界条件
• 2.6 近壁面的处理
• 2.7 计算网格
• 2.8 自由表面处理
• 2.9 本章小结
• 第3章 三体船粘性流场的数值模拟
• 3.1 前言
• 3.2 船型参数
• 3.3 计算域及网格划分
• 3.4 计算条件
• 3.5 结果分析与处理
• 3.5.1 Realizable k-ε模型下FA2的流场数值模拟
• 3.5.2 不同湍流模型的比较
• 3.6 本章小结
• 第4章 基于Michell积分理论的三体船兴波阻力计算
• 4.1 引言
• 4.2 基于Michell积分的兴波阻力计算方法
• 4.2.1 基本假设和边界条件
• 4.2.2 Michell积分法计算单体船兴波阻力公式的推导
• 4.2.3 离散点源法求解单体船兴波阻力公式的推导
• 4.2.4 三体船兴波阻力公式的推导
• 4.2.5 三体船兴波阻力程序
• 4.3 三体船兴波阻力的计算
• 4.4 本章小结
• 第5章 三体船构型变化对流场和阻力的影响
• 5.1 引言
• 5.2 三体船的构型参数
• 5.3 计算域及网格划分
• 5.4 边界条件、湍流模式等计算参数的设置
• 5.5 结果分析与处理
• 5.5.1 自由面波形
• 5.5.2 船体表面压力
• 5.5.3 阻力
• 5.5.4 湍流强度与阻力关系
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果
• 致谢