船舶近岸航行岸壁效应数值研究

论文摘要

近年来,船舶向大型化发展,主尺度不断增长,浅窄航道对船舶操纵性的影响问题越来越突出。船舶在靠近航道岸壁航行时所受水动力的特点与在无限水域中时有很大不同。近岸航行的船舶,由于岸壁影响使其左右两侧流体流动不对称,使船体受到指向岸壁的横向水动力和使船首偏离岸壁的首摇力矩,称为岸壁效应。岸壁效应对近岸航行的船舶而言,是一个不安全因素,常会造成船舶过度与岸壁接近而发生碰撞,导致人员伤亡和财产损失,特别是对于VLCC、LNG和化学品船等船舶,一旦发生碰撞还会造成海洋环境污染,给人们带来巨大灾难。因此,加强岸壁效应的研究,对近岸航行船舶的操纵运动水动力进行预报,一方面,可对行驶中船舶的操作进行指导,以保证船舶的航行安全,另一方面,可为人们建造具有合理截面形状的河道提供参考依据。本文采用一种一阶三维Rankine源面元法对岸壁效应进行研究,计算浅水中近岸航行船舶受到的横向力和首摇力矩。在该方法中,分别在船体表面、岸壁表面和自由表面上布置Rankine源来表达流体扰动速度势,并通过满足这些边界面上的边界条件,来确定未知源强,在确定源强和速度势后,由伯努利方程得到流场中的水动压力,进而通过船体湿表面的压力积分求得船体水动力和力矩。在数值处理过程中,利用镜像原理来计及水底的影响;采用求解非线性方程组的Newton迭代法来逐步满足非线性自由面条件;辐射条件采用自由面奇点抬高与错位技术来满足。本文采用上述方法计算了标准Wigley船型和系列60（CB=0.6）船型的深水兴波阻力和下沉、纵倾（合称为“下蹲”）、标准Wigley船型的浅水兴波阻力和“下蹲”、系列60（CB=0.6）船型沿垂直岸壁、倾斜岸壁、下潜岸壁以及在浅窄航道中偏离航道中心航行时受到的横向力、首摇力矩和“下蹲”,并对上述计算结果和他人的试验结果或回归公式计算结果进行了比较分析,讨论了船-岸距离、水深、航速、岸壁倾角、下潜岸壁的高度和浅窄航道的宽度对船舶受到的横向力和首摇力矩的影响。本文在研究过程中,通过大量的数值实践,积累了一些网格划分和数值计算方面的经验,为进一步研究限制水域船舶操纵性打下了基础。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 符号说明
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究背景和意义
• 1.2 CFD 方法计算船舶水动力的研究简介
• 1.2.1 势流方法
• 1.2.2 粘性流方法
• 1.3 岸壁效应研究概况
• 1.4 本文的主要工作
• 第二章 问题的数学描述
• 2.1 定解问题
• 2.2 水动力计算
• 2.3 Rankine 源方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 数值方法
• 3.1 边界面离散
• 3.2 边界方程离散
• 3.2.1 物面方程离散
• 3.2.2 非线性自由面条件迭代处理
• 3.3 辐射条件
• 3.4 下沉和纵倾
• 3.5 计算过程中的若干问题
• 3.6 本章小结
• 第四章 计算结果及分析
• 4.1 深水兴波阻力计算
• 4.2 浅水兴波阻力计算
• 4.3 岸壁效应
• 4.3.1 本文计算值和回归公式计算值的比较
• 4.3.2 航速的影响
• 4.3.3 船-岸距离的影响
• 4.3.4 水深的影响
• 4.3.5 岸壁倾角的影响
• 4.3.6 下潜岸壁的影响
• 4.3.7 航道宽度的影响
• 4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读学位期间参加的科研项目
• 上海交通大学学位论文答辩决议书