绕船舶自由面流动的时域分析和数值计算

论文摘要

如何利用数值计算方法来准确预报船舶兴波阻力与兴波波形,并为船舶设计服务,一直都是船舶阻力理论研究中的重要内容与难点之一,同时也是船型优化等工程问题的关键。本文首先回顾了绕船舶自由面流动的势流和粘性流理论,介绍了自由面兴波模拟的数值方法。回顾了定常间接边界元兴波计算的两种方法:基于Havelock源的格林函数法,非奇异的Rankine源方法,在所有边界面上布置Rankine源。以Wigley船为例,提供了非奇异Rankine源方法的兴波波形和兴波阻力系数。利用了时域线性直接边界元法计算船舶兴波。边界积分方程由格林第二定理获得,奇点的速度势由边界上未知强度的源和偶极积分表示,影响系数通过解析的方法求解,物面上的法向速度由物面边界条件决定,自由面上的速度势由线性时域自由面边界条件更新。辐射条件不需要特别给定。自由面计算域边界不随时间变化。提出了船体割划水面的动网格技术。本文以Wigley船为例,讨论了自由面、船体表面网格划分和时间步长对计算结果的影响,并给出了稳定时刻自由面波形和线性兴波阻力计算结果。采用开式尾—静力修正和虚长度的方法分别计算方尾船舶兴波波形和兴波阻力,计算结果与试验结果一致。发展了强非线性时域直接边界元方法,提出了满足自由面移动计算域辐射条件的方法。每个时步自由面上的速度势和节点漂移量通过全非线性Lagrange型自由面边界条件求解,重新进行网格划分得到下一个时步的自由面形状。本文以Wigley单体船为例,比较了自由面固定计算域和移动计算域兴波波形。给出了近水面潜体和双体船的非线性兴波计算结果,并讨论了双体船片体间距变化对兴波阻力的影响。建立了考虑双体船片体两侧非对称流动的兴波计算方法,片体作为升力体考虑,尾涡面上施加压力Kutta条件。文中给出了考虑片体两侧流动不对称性Wigley双体船的计算结果,并与不考虑尾涡效应双体船兴波计算结果进行了比较。这种方法可以用来求解近水面水翼绕流水动力性能。尝试采用有限体积法离散求解标准k—ε湍流方程,运用VOF的方法模拟绕船体自由面粘性流动。并以Wigley船为例,给出了船体表面的压力分布和兴波波形及阻力结果,并与试验结果比较证明了粘性绕流计算的可靠性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 绕船舶自由面流动的势流理论
• 1.3 绕船舶自由面流动的粘性流理论
• 1.4 自由面模拟中的数值方法
• 1.5 本文主要研究工作
• 2 船舶兴波势流计算的间接边界元法
• 2.1 引言
• 2.2 Havelock源的格林函数法
• 2.3 非奇异 Rankine源法
• 2.4 算例
• 2.5 本章小结
• 3 线性时域直接边界元兴波计算
• 3.1 引言
• 3.2 理论基础
• 3.3 数值求解
• 3.4 网格划分
• 3.5 方尾处理
• 3.6 本章小结
• 4 强非线性时域兴波计算
• 4.1 引言
• 4.2 非线性理论基础
• 4.3 数值求解
• 4.4 计算结果
• 4.5 本章小结
• 5 非对称流时域兴波计算
• 5.1 引言
• 5.2 理论基础
• 5.3 数值求解
• 5.4 计算结果
• 5.5 本章小结
• 6 船舶绕流的粘性流场计算
• 6.1 引言
• 6.2 控制方程与湍流模型
• 6.3 VOF模型
• 6.4 数值求解
• 6.5 本章小结
• 7 全文总结
• 致谢
• 参考文献
• 附录 1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录 2 攻读博士学位期间参加的研究项目