受损船操纵性数值计算与试验研究及其综合评价

论文摘要

船舶受损后,其水动力性能将严重恶化,同样海况下,难以像完整船舶一样正常航行。为了提高人员财产安全和减少水域污染,国内外十分重视受损船水动力性能研究,在船舶的耐波性和操纵性方面已有研究,但对操纵性研究很少。操纵性是船舶重要的水动力性能之一,和船舶航行安全性密切相关,正确预报受损船操纵性有重要价值和工程意义。因此,受损船舶操纵性研究非常重要,是当前船舶水动力学领域的前沿热点课题之一。最近十多年来,随着计算机科学技术的飞速发展,计算机的容量和速度极大提高,为船舶计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）技术的发展和实用化提供了必要的硬件条件,使得计算复杂的船舶操纵运动流场和水动力成为可能。本文主要采用基于RANS方程求解的数值方法以及试验方法对完整船和受损船斜航操纵水动力进行了研究；对受损船进行了操纵性试验；构建了受损船操纵性综合评价指标。（1）对船舶操纵运动粘性流计算相关的理论和方法进行了介绍。主要介绍了目前船舶水动力计算中应用最广泛的两方程湍流模型,分析了几种离散格式、压力-速度耦合算法、网格类型等数值技术。（2）对受损船舶典型模型进行了统计分析。研究收集近十几年国内外大量船舶的受损案例,运用概率统计分析方法对船舶破舱位置进行分析,确定破舱部位。选择了29000吨油船作为研究对象,构建了受损船舶模型,确立两种破口模型及首、中、尾舱三种破舱位置,并对满载状态下三种破舱进水浮态进行了计算。（3）以29000吨油船为研究对象,通过计算比较,选择了便捷的速度分解方法对小漂角范围的斜航操纵运动水动力进行数值计算。在采用RANS方法计算操纵运动粘性水动力过程中,合适的湍流模式和网格数、较好的网格质量对数值模拟好坏起到关键作用。本文对常用的5种两方程湍流模式进行了计算,并将计算值和试验值比较验证,确定了SST k-ω湍流模式。同时比较了不同的网格数对操纵水动力数值求解中的模拟精度。综合考虑湍流模式、网格质量等因素,采用了SSTk-ω湍流模式以及结构化和非结构化的混合网格对29000吨完整油船不同漂角斜航时所受的阻力、横向力和转首力矩进行预报,并与研究中进行的船模斜拖试验值进行了比较,数值计算值与试验值基本吻合。同时运用最小二乘法对横向力、转首力矩系数拟合出曲线方程,进一步分析其误差。（4）分别运用试验和数值计算方法对受损船操纵水动力进行研究。在运用数值计算方法时,首先解决受损船几何模型的建立、破舱及其周围的网格划分。对受损船水动力研究主要分三部分进行：①对破舱进水后浮态调平状态下首、中、尾三种不同破损位置的受损船模在0.81m/s（Fr=0.1296）及其中舱破损在0.81m/s（Fr=0.1296）、0.73m/s（Fr=0.1168）、0.63m/s（Fr=0.1008）三种速度下直航操纵运动水动力及其舱室流场进行了模拟,探讨了受损船粘性水动力、舱室流场与不同破舱位置之间关系。②通过对中舱的大、小破口两种破损状况,0.81m/s、0.73m/s、0.63m/s三种速度下9个漂角斜航操纵运动水动力研究,将受损船模阻力系数、横向力系数、转首力矩系数与完整船模进行比较,捕捉到了操纵运动船体特别舱室内的流场特征,通过观察和分析这些流场信息,可以深入理解受损船操纵水动力变化情况,揭示不同大小破口的受损船斜航操纵运动水动力及其船体流场、舱室流场情况。③以中舱破损进水为例对受损船操纵水动力进行了研究,探讨了不调平状态下受损船斜航操纵水动力及舱室流场情况。通过对受损船模操纵水动力研究,揭示受损船水动力变化及其与斜航漂角大小、受损部位和受损大小之间的关系情况,同时也验证了基于RANS方程求解的数值方法在研究受损船操纵水动力上的可行性和有效性。（5）对完整船与受损船分别进行了回转运动、Z形运动模型试验,并对受损船的自航模操纵性试验进行了分析,揭示受损船操纵性变化情况。同时基于MMG船舶操纵数学模型和水动力导数经验公式,对完整船的回转运动、Z形运动进行了模拟并比较。（6）基于航海实际和系统工程中评价指标选取原则,分析并构建了受损船操纵性综合评价指标。采用层次分析法（AHP）和灰色关联、AHP和模糊数学等两种集成方法组合起来对29000吨受损油船操纵性进行了综合评价,在模糊数学综合评价中基于评价指标的分级和广义钟形函数法创新地构建了操纵性评价指标的隶属度函数。所评估结果与实际情况相吻合。本文在国内首次采用了数值模拟和试验方法对受损船操纵性进行研究。基于RANS方程求解的粘性数值方法能较准确地预报受损船直航、斜航操纵运动船体粘性水动力,得到受损船操纵性与受损部位、破舱大小之间的关系,捕捉到受损船破舱附近及其舱室内流场情况。对受损船操纵性进行试验并综合评价,揭示受损船操纵性变化情况。本文研究成果揭示了受损船操纵性能的变化规律,为未来受损船操纵性进一步研究打下了基础。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 立题背景及研究意义
• 1.2 国内外受损船水动力研究现状
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 国内外研究现状分析
• 1.3 研究内容、方法及技术路线
• 1.3.1 主要研究内容
• 1.3.2 研究方法及技术路线
• 第2章 粘性流基本理论和数值方法
• 2.1 引言
• 2.2 粘性流体运动控制方程
• 2.3 湍流建模
• 2.3.1 k-ε二方程模型
• 2.3.2 k-ω二方程模型
• 2.4 边界条件
• 2.5 数值方法
• 2.5.1 离散方法
• 2.5.2 离散格式
• 2.5.3 控制方程的离散
• 2.5.4 亚松弛
• 2.5.5 求解算法
• 2.5.6 加速收敛技术
• 2.6 网格技术
• 2.6.1 网格类型
• 2.6.2 网格划分的原则
• 2.7 本章小结
• 第3章 受损船典型模型分析及受损进水后的浮态计算
• 3.1 引言
• 3.2 受损部位统计分析
• 3.2.1 船舶交通碰撞部位统计
• 3.2.2 试验的受损船舶破口位置统计
• 3.2.3 受损船舶破口位置规律
• 3.3 受损船模型的选择
• 3.3.1 典型破损舱室类型
• 3.3.2 受损船研究对象的选择
• 3.4 满载状态下破舱进水后的浮态计算
• 3.5 本章小结
• 第4章 完整船操纵运动水动力数值计算与试验研究
• 4.1 引言
• 4.2 完整船斜航运动水动力数值模拟
• 4.2.1 斜航运动坐标系统及几何模型
• 4.2.2 两种方法的验证
• 4.2.3 不同湍流模型比较
• 4.2.4 不同网格数的比较
• 4.2.5 完整船数值计算工况
• 4.3 完整船斜航运动水动力数值计算与试验验证
• 4.3.1 模型试验
• 4.3.2 粘性数值计算研究
• 4.4 本章小结
• 第5章 受损船操纵运动粘性流场及水动力研究
• 5.1 引言
• 5.2 受损船进水过程及研究的合理假设
• 5.2.1 受损船进水过程
• 5.2.2 受损船研究的合理假设
• 5.3 受损船的几何模型
• 5.3.1 受损船中舱破损模型
• 5.3.2 受损船首、尾舱破损模型
• 5.4 受损船模的直航及斜拖试验
• 5.4.1 试验模型及试验设备
• 5.4.2 试验工况
• 5.4.3 试验结果与分析
• 5.5 受损船调平后的直航运动水动力数值预报
• 5.5.1 数值计算方法
• 5.5.2 网格划分
• 5.5.3 舱室破口大小对受损船直航水动力的影响
• 5.5.4 破口位置对受损船水动力的影响
• 5.5.5 不同破口位置破损舱室的流场计算
• 5.5.6 小结
• 5.6 受损船调平后的斜航运动水动力数值预报
• 5.6.1 受损船计算工况
• 5.6.2 计算区域及边界条件
• 5.6.3 网格划分
• 5.6.4 数值方法
• 5.6.5 小破口船斜航水动力数值计算与试验验证
• 5.6.6 大破口船斜航水动力数值计算与试验验证
• 5.6.7 受损船船体粘性流场
• 5.6.8 破损舱室内部及舱室周围流场
• 5.6.9 小结
• 5.7 受损船不调平斜航运动水动力数值预报
• 5.7.1 受损船横倾时斜航运动水动力数值计算
• 5.7.2 受损船横倾时斜航运动粘性流场
• 5.8 本章小结
• 第6章 完整船及受损船的自航模操纵性试验
• 6.1 引言
• 6.2 船模条件
• 6.3 试验内容及结果
• 6.3.1 回转试验
• 6.3.2 Z形试验
• 6.4 操纵运动数值模拟
• 6.4.1 操纵运动数学模型
• 6.4.2 数值模拟结果与验证
• 6.5 操纵性试验分析
• 6.6 本章小结
• 第7章 受损船操纵性评价
• 7.1 引言
• 7.2 船舶操纵性评价
• 7.2.1 船舶操纵性评价指标
• 7.2.2 海船操纵性衡准的数值指标
• 7.2.3 船舶操纵性评价方法
• 7.3 受损船操纵性组合评价
• 7.3.1 加权灰色评价方法
• 7.3.2 模糊综合评价
• 7.3.3 层次分析方法
• 7.3.4 AHPGR方法在受损船操纵性评价中的应用
• 7.3.5 AHPFC方法在受损船操纵性评价中的应用
• 7.4 本章小结
• 第8章 总结和展望
• 8.1 工作总结
• 8.2 展望
• 8.3 本文创新点
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间的科研工作和论文发表情况