高速船甲板上浪的数值模拟研究

论文摘要

甲板上浪通常指当船舶遭遇波浪,来波作用于船体并超越干舷,海水冲上甲板的现象。一般情况下,甲板上浪时的流体最终会慢慢流出甲板,不会引起危害,然而在恶劣的海况下大量的海水涌上甲板,巨大的冲击力会对甲板上的设备、货物和上层建筑等造成破坏。在高速航行状态下,严重的甲板上浪甚至可能导致船舶的倾覆。船体露出水面后重新入水时会遭受水动力冲击即砰击。砰击发生时,船体不仅在直接与波浪冲撞的区域承受巨大的砰击压力,局部结构的强度可能会发生破坏,也会引起整个船体剧烈的颤振,产生较大的砰击弯矩,当它与波浪诱导弯矩迭加,可能导致船体总强度的丧失。甲板上浪问题是强非线性问题,数学上极难求解,物理现象十分复杂,以往理论和数值研究工作仅是在一定程度上对甲板上浪进行描述,其发生机理也尚未给出适当解释,不能直接用于解决实际的工程问题。目前,随着计算机和计算技术的高速发展,数值计算模拟已经被广泛应用于非线性流体运动的预报分析,一定程度上可以替代物理实验。因此,充分利用现有的理论和数值研究的成果,结合传统的船舶水动力分析方法,可现实地解决船舶与海洋工程中的问题。本文系统地回顾和总结了甲板上浪问题的发展历程和研究背景,主要针对高速船舶的甲板上浪,综合考虑船体外飘、船艏波面升高、波浪传播与船体运动等相关因素的影响,采用势流理论计算和CFD技术相结合的方法,建立了计入整船运动的船艏上浪计算模型。通过势流理论给定船体运动,基于Fluent软件平台的二次开发实现对船体运动的模拟。分别利用相对运动理论方法和动网格方法就迎浪状态下高速行驶的S175船甲板上浪进行了三维数值模拟研究,计算模拟并分析了甲板上浪时甲板上水体流动形态及其对甲板结构的冲击作用。模拟结果中甲板上水体的流动及其对结构物的冲击载荷与试验都吻合良好,能够对上浪机理给出较为清晰的描述,分析预报甲板上浪对浮体结构物的破坏作用,为工程应用提供了良好的方法和途径。并且对进一步进行船型优化设计,特别是船首的线型、强度设计等,以及航运中船舶为避免上浪的危害所采取操作等提供了有益的指导。文中利用Fluent软件自带的SDOF模块就横浪状态下运动船体断面模型在波浪中的运动问题进行了研究,监测了船舶在波浪中的运动轨迹,计算结果表明,迎浪状态下船舶在波浪中的运动主要由漂移力引起的纵向运动和由垂向波浪力引起垂向振荡,该方法可以完全耦合考虑波浪与浮体的相互作用,进一步真实地模拟浮体甲板上浪现象和分析预报甲板上浪对浮体的破坏作用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 甲板上浪的研究背景
• 1.2.1 甲板上浪的物理现象
• 1.2.2 数值理论研究方法
• 1.2.3 计算流体力学（CFD）方法和应用
• 1.2.4 模型试验研究
• 1.3 本文的主要工作和创新点
• 1.3.1 本文主要工作
• 1.3.2 创新点
• 第二章 船舶运动与波浪载荷的理论研究
• 2.1 前言
• 2.2 船舶运动理论的一些基本概念
• 2.2.1 坐标系选取和运动量的描述
• 2.2.2 线性速度势的分解
• 2.3 速度势和波浪力的求解
• 2.3.1 二维辐射势的求解和剖面流体动力系数计算
• 2.3.2 入射波速度势的求解
• 2.3.3 绕射速度势求解
• 2.3.4 波浪力的表达
• 2.4 船体运动方程的建立
• 2.4.1 船体运动方程的一般描述
• 2.4.2 流体动力和静恢复力的求解
• 2.5 计算实例
• 2.6 小结
• 第三章 船艏上浪计算模型的建立
• 3.1 前言
• 3.2 流场控制方程
• 3.2.1 流体力学基本方程
• 3.2.2 湍流模式
• 3.3 数值方法
• 3.3.1 船艏甲板上浪发生的条件
• 3.3.2 船艏的波面升高
• 3.3.3 网格方案和边界条件
• 3.3.4 造波与消波功能的实现
• 3.4 小结
• 第四章 船艏上浪计算模型的应用
• 4.1 模型试验
• 4.1.1 S175船型参数和模型试验
• 4.1.2 S175船的运动计算
• 4.1.3 S175船艏上浪计算模型
• 4.2 相对运动理论方法模拟
• 4.2.1 甲板上的来流速度
• 4.2.2 计算结果的验证与分析
• 4.3 动网格方法模拟
• 4.3.1 动网格在数值模型中的应用
• 4.3.2 来流速度和船体运动
• 4.3.3 计算结果的验证与分析
• 4.4 小结
• 第五章 完全耦合的运动船体的甲板上浪问题
• 5.1 模型试验
• 5.2 数值模型的建立
• 5.3 SDOF
• 5.4 计算结果分析
• 5.5 小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 研究展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间完成的论文
• 致谢
• 上海交通大学学位论文答辩决议书