基于CFD的大型船舶球艏线型设计比较研究

论文摘要

面对能源危机及持续的经济危机,各国加快开展新船型研究来减小船舶阻力。本文基于球鼻艏的减阻节能效果,选取了四条带有不同球鼻艏的船型,应用CFD数值模拟的方法预报船体阻力和船舶粘性绕流场,通过对数值计算结果的比较分析得出有利于船舶阻力性能的球艏线型,为局部优化船体型线提供参考。本文利用高度集成化的Tribon系统、可视化绘图软件Auto CAD和CFD通用前处理软件ICEM联合建模的方法来建立船体模型。采用分块结构化网格的方法对具有球艏方艉的复杂大型船舶进行网格划分,并讨论了网格数量和时间步长对收敛过程的影响,通过大量的试验得到了一套既省时又能得到较准确结果的网格分布,以及数值计算过程中的一系列时间步长改变的方法。首先选取一条带有实验数据的球鼻艏船型进行验证分析。应用商用CFD软件CFX对船舶粘性绕流场进行数值模拟,并将阻力计算结果与试验值和理论计算值进行对比分析,结果表明数值结果与试验值比较接近,误差在10%之内;与理论值差距较大,误差在10%-30%之间。从自由表面分布图和桨盘面处速度分布图中可以看出,VOF方法能够比较精确地模拟自由面和伴流,具有一定的准确性。然后再选取三条与算例船型相似的带有不同球鼻艏（埋首型、普通型和上翘型）的船型进行粘性绕流场的数值模拟。为了使计算结果具有可比性,将三条新船主尺度经过仿似变换变成与算例船型相同的尺寸。计算结果表明:在相同航速下,低速时:上翘型大球艏船型比埋首型和普通型小球艏船型兴起的波浪稍大些;高速时:上翘型大球艏的兴波最小。上翘型球鼻艏船型较埋首型和普通型小球艏船型周围流场均匀;普通型小球艏和上翘型大球艏船型的艉部出现了明显的“虚长度”,并且随着航速的增加“虚长度”加长,从而减小了剩余阻力;阻力计算结果表明低速段（Fr<0.23）时,上翘型大球艏船体阻力值介于埋首型和普通型小球艏之间;而当Fr>0.23时,上翘型大球艏阻力值最小,埋首型球艏阻力值最大。本文中由数值计算结果可以看出不同形式、不同尺寸的球鼻艏对船体阻力及流场的不同影响,为从有利于阻力性能的角度来优化船舶局部型线提供一种行之有效的方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 CFD 的发展现状及其在船舶领域的应用
• 1.2.1 计算流体力学的发展
• 1.2.2 CFD 在船舶领域的应用
• 1.3 船舶阻力研究方法
• 1.3.1 船舶阻力理论研究
• 1.3.2 CFD 在船舶阻力与型线优化设计方面的应用
• 1.4 论文的主要工作
• 第2章 CFD 数值模拟的基本理论及方法
• 2.1 基本方程
• 2.1.1 基本控制方程
• 2.1.2 湍流运动基本方程（RANS 方程）
• 2.2 离散化的基本方法
• 2.2.1 有限差分法
• 2.2.2 有限元法
• 2.2.3 有限体积法
• 2.2.4 各种离散方法的关系
• 2.3 湍流运动的数值模拟方法
• 2.3.1 直接数值模拟方法
• 2.3.2 非直接数值模拟方法
• 2.4 湍流模式
• 2.4.1 零方程及一方程湍流模型
• 2.4.2 几种两方程模型
• 2.4.3 SST k? ω模型
• 2.5 边界条件的处理
• 2.5.1 入口
• 2.5.2 出口
• 2.5.3 对称面
• 2.5.4 壁面
• 2.6 计算网格的划分
• 2.6.1 单块结构化网格
• 2.6.2 多块结构化网格
• 2.6.3 非结构网格
• 2.6.4 混合网格
• 2.7 自由液面的模拟
• 2.7.1 船舶CFD 模拟中考虑自由液面的意义
• 2.7.2 VOF 方法
• 2.8 本章小结
• 第3章 CFD 数值模拟计算结果的验证
• 3.1 建立船体几何模型
• 3.2 计算域的选取及网格划分
• 3.3 探讨网格和时间步长
• 3.3.1 网格数量及分布的探讨
• 3.3.2 初始时间步长的探讨
• 3.4 CFD 数值计算结果的验证
• 3.4.1 数值模拟计算
• 3.4.2 船体阻力的理论计算
• 3.4.3 CFD 数值计算结果的验证分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 大型船舶的带自由液面粘性流场数值模拟
• 4.1 建立新的船体模型
• 4.1.1 球鼻艏的选型
• 4.1.2 新方案模型的建立及网格划分
• 4.2 数值模拟计算
• 4.3 对计算结果的分析
• 4.4 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