内河船舶岸壁效应的水动力过程研究

摘要

当前在经济和技术的推动下，船舶大型化趋势日益明显，船舶主尺度不断增大，内河的狭窄航道对船舶的操纵性也提出了越来越高的要求。但处于涪陵-重庆的三峡变动回水区的航段，每年消落的时候航道恢复为天然航道的特性，存在较多的不良流态碍航，该部分水域相对大型船舶来说航道的宽度较窄，水深较浅。在限制水域中航行的船舶操纵性能较开阔水域中时有很大区别，主要是受水底与岸壁的影响，水流动力通常更大。对在近岸行驶的船舶来说，岸壁效应是潜在的不安全因素，常导致船舶过于接近岸壁而引发碰撞事故，造成人员伤亡及大量财产损失。所以，对岸壁效应进行研究很有必要。
　　本文主要通过理论分析、船模试验与STAR-CCM+软件数值模拟相结合的分析方法，对岸壁效应主要影响因素如航速、水深、岸壁距离对水动力的作用机理进行了分类研究，进行了以下主要研究工作:
　　(1)内河船舶近壁航行试验设计、水动力测量与分析。
　　水槽试验时设计采用应力传感器方式对船模靠岸过程中船模水动力进行准确测量和数据采集，测量不同流速和不同水深条件下，船岸距离对水动力的影响，根据测量结果，分析水流流速、水深和岸壁距离对船舶水动力的影响机理。
　　(2)内河船舶近壁航行数值模拟。
　　构建在不同条件下船舶航行的水动力计算模型，对不同岸壁条件和水流条件时船舶水动力进行数值模拟计算，结合试验结果，进一步分析流速、水深和岸壁距离对船舶水动力的影响机理。
　　(3)内河船舶近壁航行水动力与安全距离之间的关系研究。
　　根据船模试验和数值计算结果，对比分析船舶在不同水流条件下的航行安全距离。通过综合考察水流速度、水深、船岸距离对船舶航行安全距离的影响，提出在内河狭窄航道行驶船舶的岸壁效应水动力公式，根据该水动力公式可以对船舶航行安全距离进行分析，该评价方法是针对内河船舶岸壁效应安全问题的一次创新尝试。
　　对内河船舶岸壁效应的水动力进行研究可以起到以下几方面的作用:
　　可为内河航道靠近岸壁航行的船舶操纵情况进行预报，对行进中的船舶进行操作指导来确保船舶的行驶安全;对该航行区域船舶的船型选择有着一定的指导价值;为人们建造合适形状的航道提供必要的参考;对内河航道定级也有意义。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景和理论意义

1．2 国内外岸壁效应的研究现状及进展

1．3 本文的主要研究内容和技术路线流程图

1．3．1 本文的主要研究内容

1．3．2 技术路线流程图

第二章 计算流体动力学理论介绍

2．1 CFD计算船舶水动力方法简介

2．1．1 流动控制方程

2．1．2 湍流模型

2．1．3 边界条件和离散方法

2．1．4 自由液面模拟的方法(VOF法)

2．1．5 势流法

2．1．6 粘性流法

2．2 内河船舶岸壁效应定义

2．3 内河船舶岸壁效应的主要影响因素

2．4 本章小节

第三章 数值模拟软件简介及其参数设置

3．1 GAMBIT软件简介

3．1．1 GAMBIT的特点

3．1．2 GAMBIT用户界面

3．2 本文船模主要参数与计算工况

3．3 GAMBIT创建船舶模型

3．4 STAR-CCM+软件介绍

3．5 本文中STAR-CCM+求解设置与计算

3．5．1 应用STAR-CCM+求解问题的主要步骤

3．5．2 设置控制域

3．5．3 STAR-CCM+中设置边界条件

3．5．4 网格划分

3．5．5 计算模型设置

3．5．6 求解控制器设置

3．5．7 迭代设置

3．6 本章小节

第四章 船模试验设计及水动力的测量

4．1 试验内容

4．2 试验设备

4．2．1 直读式流速仪传感器

4．2．2 数字压力传感系统

4．3 试验水槽

4．4 船型选择

4．5 水流条件及试验工况布置

4．6 本章小结

第五章 岸壁效应影响因素分析

5．1 船模试验结果与数值计算结果的比较

5．2 航速的影响分析

5．3 岸壁距离的影响分析

5．4 水深的影响分析

5．5 岸壁效应水动力与安全距离之间的关系式探究

5．6 本章小结

第六章 结论及展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论著及取得的科研成果