球艏对游艇粘性流场及阻力影响的计算研究

论文摘要

大型游艇是一种附加值极高的产品,近年来,国际市场对其需求不断攀升。由于大型游艇的高性能及高标准要求,研发大型游艇不仅是抓住国际市场游艇业巨大商机的经济需要,也是提升我国造船行业设计及建造水平,带动相关产业的发展,促进我国国民经济发展的需要。作为大型游艇自主开发关键技术的基础,相关水动力性能研究无疑具有重要意义。游艇的相对速度(傅汝德数)较高,在排水型船舶中属于高速,减少阻力、提高快速性是优化游艇船型的重要目标之一。本文针对某一船长为225英尺的豪华游艇,借助CFD方法初步探讨球鼻艏及艏部型线对游艇粘性流场及快速性的影响。在不带球鼻艏及带不同球鼻艏状况下对游艇进行数值模拟,得到各种状况下该游艇艇体流线、表面压力分布、尾部伴流场等粘性流场参数,计算、分析了相应的粘性阻力及兴波阻力变化。数值计算分为不计自由面影响的艇体粘性流场计算及理想流体势流模型下的兴波问题计算两部分。粘性流场计算中利用GAMBIT进行前处理,生成船型及计算域的网格,在给定边界条件下利用计算流体力学商用软件FLUENT求解器求解RANS方程,其中湍流模型及湍流参数的选取是通过多次数值计算实践确定的。理想流体势流模型下的兴波阻力计算采用了船舶流体力学专用软件SHIPFLOW。数值模拟计算结果表明,选用合适的球鼻艏可以较明显地改善游艇流线、降低总阻力、提高快速性。注意到高速游艇的长宽比小于设计航速在相同傅汝德数下的普通高速客船,在重视球鼻艏对游艇兴波阻力影响的同时,也不可忽视球鼻艏对其粘压阻力的影响。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.3 高速游艇船型及水动力性能方面的特点
• 1.4 船舶计算流体动力学的研究进展
• 1.5 本文研究方法和技术路线
• 1.6 本章小结
• 第2章 数值模拟方法及实现
• 2.1 引言
• 2.2 控制方程
• 2.2.1 质量守恒方程
• 2.2.2 动量守恒方程（即N-S方程）
• 2.2.3 雷诺方程
• 2.2.4 涡粘模型
• 2.2.5 二方程模型（k-ε模型）
• 2.2.6 模型的选取
• 2.3 近壁面处理
• 2.3.1 近壁面的流动特点
• 2.3.2 壁面函数法
• 2.4 边界条件
• 2.4.1 速度入口
• 2.4.2 流动出口
• 2.4.3 对称边界条件
• 2.4.4 壁面边界条件
• 2.5 有限体积法（FVM）
• 2.6 网格划分
• 2.7 SIMPLE算法
• 2.7.1 SIMPLE算法的数学描述
• 2.7.2 SIMPLE算法的计算步骤
• 2.8 兴波问题的数学描述
• 2.8.1 船体兴波速度势的表达（格林函数法）
• 2.8.2 兴波阻力的相关计算
• 2.9 本章小结
• 第3章 游艇的模拟计算
• 3.1 FLUENT软件简介
• 3.2 SHIPFLOW软件简介
• 3.2.1 SHIPFLOW软件的计算理论
• 3.2.2 SHIPFLOW软件的应用
• 3.3 GAMBIT建模
• 3.4 求解
• 3.5 计算结果及分析
• 3.5.1 游艇附近流体流动
• 3.5.2 游艇尾部伴流
• 3.5.3 游艇阻力计算
• 3.6 本章小结
• 第4章 总结
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间参加的科研项目