带艏鳍小水线面三体船阻力及纵向运动研究

论文摘要

高性能船舶符合当今船舶科技的发展趋势,对进一步提高人类的生产效率、降低航运成本大为有益,因而得到世界各国研究机构的重视。其中三体船发展迅猛,其优异性能已被大量的研究和试验所证实并被广泛接受,各种三体船设计方案涌现。其中小水线面中体三体船的概念设计方案新颖别致,前景广阔。小水线面中体三体船的阻力和耐波性能优良。但在中高速时,较小的水线面面积使其易失去纵向稳定性,需要加装艏鳍以增加稳定性并进一步改善纵向运动性能。艏鳍的安装使船舶周围流场变的更加复杂,同时也改变了船舶的水动力。因此在设计初始阶段研究艏鳍对小水线面中体三体船的各项性能所产生的影响就尤为重要。本文首先使用CFD软件FLUENT模拟了小水线面中体三体船的粘性流场,计算了船模阻力值和自由液面波形,探讨了不同中体潜体形状的影响。之后对带艏鳍的船模进行了粘性流场数值模拟,根据鳍的尺寸、艏鳍安装的纵向位置以及安装的几何攻角,设置了18种方案,并分析了这三个因素各自对船体和艏鳍表面压力、船模的阻力、升力和纵向力矩等性能的影响。最后通过分析中体潜体和艏鳍对在波浪中做摇荡运动的小水线面中体三体船的水动力的贡献,修正了纵向运动方程,计算出带艏鳍的小水线面中体三体船在规则波中迎浪下的纵向运动。并分析了中体潜体形状以及艏鳍尺寸和纵向安装位置对其纵向运动的影响。本文的研究表明较扁的中体潜体会微幅增加阻力,并小幅减小纵向运动幅值；艏鳍的安装可以大幅减小小水线面中体三体船的纵向运动,但同时也会对船舶阻力带来一定增加；较大尺寸、较大几何攻角的鳍增阻较大,提供额外的升力和纵向力矩也较大；水平投影面积越大、安装位置越靠近船首的鳍,减小船舶纵向运动的效果越明显。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 本文的目的与意义
• 1.2 三体船发展概况
• 1.2.1 三体船的特性及研究进展
• 1.2.2 小水线面中体三体船的特性及研究进展
• 1.3 船舶粘性流场的数值模拟
• 1.4 船舶在波浪中运动性能的研究进展
• 1.5 本文的主要工作
• 第2章 粘性流场数值模拟的基本理论
• 2.1 控制方程
• 2.1.1 Navier-Stokes方程（N-S方程）
• 2.1.2 湍流的控制方程
• 2.2 二方程湍流模型
• 2.2.1 κ-ε模型
• 2.2.2 κ-ω模型
• 2.3 控制方程的离散
• 2.3.1 方程离散的目的
• 2.3.2 离散方法
• 2.4 计算网格的生成
• 2.4.1 结构网格与非结构网格
• 2.4.2 网格的生成过程
• 2.5 边界条件
• 2.6 VOF法捕捉自由液面
• 2.7 本章小结
• 第3章 小水线面三体船粘性流场数值模拟
• 3.1 计算模型
• 3.2 控制域的建立及网格划分
• 3.3 边界条件及计算方法
• 3.4 计算结果
• 3.4.1 自由面波形
• 3.4.2 阻力
• 3.5 本章小结
• 第4章 带艏鳍小水线面三体船粘性流场数值模拟
• 4.1 计算方案
• 4.2 控制域的建立及网格划分
• 4.3 边界条件及计算方法
• 4.4 计算结果分析
• 4.4.1 船体和鳍表面压力
• 4.4.2 阻力
• 4.4.3 升力和纵向力矩
• 4.5 本章小结
• 第5章 带艏鳍小水线面三体船纵向运动的计算研究
• 5.1 计算理论
• 5.1.1 坐标系的建立
• 5.1.2 纵向运动方程的建立
• 5.1.3 水的粘性对纵向运动的影响
• 5.1.4 鳍对纵向运动的影响
• 5.2 潜体形状对纵向运动的影响
• 5.3 鳍升力系数的计算
• 5.4 迎浪下艏鳍对纵向运动的影响
• 5.4.1 加装艏鳍后船舶水动力系数的变化
• 5.4.2 迎浪下加装不同尺寸艏鳍对船模纵向运动的影响
• 5.4.3 迎浪下艏鳍安装位置对船模纵向运动的影响
• 5.5 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