基于CFD的数值波浪水池技术及强迫横摇数值实验研究

论文摘要

数值波浪水池是当今船舶与海洋工程的热点研究领域,因为与传统意义上的实验室水池相比,其具有许多的优势,如实验造价低廉、可重复性强及周期短等。对于船舶而言,其在海上受波浪的扰动,产生的摇摆运动时船舶的主要振荡运动形式之一。由于船的横向尺度远远小于纵向尺度,加之船体外形光顺,因而横摇阻尼的预报对船舶的耐波性意义重大。本文在对现有的数值波浪水池及横摇阻尼模拟的CFD相关理论和方法进行了总结,在数值波浪水池模拟方面,阐述了摇板式造波的原理、波浪数学模型的建立、自由面追踪的方法及数值波浪水池消波的实现,并以FLUENT软件为计算平台,结合自身的二次开发（UDF编译）,采用动网格模型来实现造波板摇板的摆动,以VOF方法来追踪捕捉自由面的变化和位置,采用人工粘性消波方法来实现消波,结合RNGκ-ε湍流模型成功地实现了数值波浪水池的模拟,最后,将模拟的数值解与理论解进行了比较,结论表明数值解的准确性良好,并得出了数值波浪水池中可以进行波物耦合计算的区域。对于横摇阻尼数值模拟方面,研究论述了横摇阻尼计算的理论与方法,并以FLUENT软件为算平台,结合对软件的二次开发,采用动网格模型实现船舶剖面的强迫横摇运动,并采用SSTκ-ε湍流模型,计算出了二维船舶横剖面的横摇阻尼,分析了流体粘性、强迫运动的横摇幅值、船体剖面及舭龙骨对横摇力矩的影响,同时,展示了不同时刻横摇运动诱导产生的涡的分布情况。并将Series60船模横剖面的横摇阻尼的计算结果与池田良穗的试验结果进行了比较,二者之间吻合良好。

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 国内外研究现状
• 1.2.1 数值波浪水池模拟的国内外研究现状
• 1.2.2 船舶横摇阻尼计算的国内外研究现状
• 1.3 计算流体力学（CFD）概述
• 1.3.1 计算流体力学简介
• 1.3.2 FLUENT简介
• 1.4 本文的主要研究工作
• 第2章 基于粘性流的CFD数值模拟理论
• 2.1 流体运动的基本控制方程
• 2.1.1 质量和动量守恒方程
• 2.1.2 RANS方程
• 2.2 湍流模型
• 2.2.1 标准k-ε湍流模型
• 2.2.2 RNG k-ε湍流模型
• 2.2.3 标准k-ω模型的方程
• 2.2.4 SST k-ω模型
• 2.3 边界条件
• 2.3.1 进口边界条件
• 2.3.2 出口边界条件
• 2.3.3 壁面边界条件
• 2.4 近壁面的处理
• 2.5 自由面的追踪——VOF法
• 2.6 数值求解的实现
• 2.6.1 离散方法--有限体积法
• 2.6.2 离散格式
• 2.7 网格划分
• 2.8 本章小结
• 第3章 二维数值波浪水池技术研究
• 3.1 摇板式造波的原理
• 3.2 VOF方法在FLUENT中的求解
• 3.3 数值波浪水池中的消波
• 3.4 计算模型的建立及网格的划分
• 3.5 FLUENT软件中的相关设置
• 3.6 UDF编译
• 3.7 数值计算结果的验证与分析
• 3.8 本章小结
• 第4章 强迫横摇数值实验
• 4.1 强迫横摇运动分析
• 4.2 计算模型的网格划分
• 4.3 FLUENT软件中的相关设置
• 4.4 UDF编译
• 4.5 数值模拟结果与分析
• 4.5.1 不同网格模型的数值模拟结果的对比
• 4.5.2 流体粘性对横摇力矩的影响
• 4.5.3 横摇幅值对横摇力矩的影响
• 4.5.4 剖面形状对横摇力矩的影响
• 4.5.5 舭龙骨对横摇力矩的影响
• +分析'>4.5.6 剖面周围WALL Y⁺分析
• 4.5.7 剖面周围速度矢量分布分析
• 4.6 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