基于泰勒展开边界元法的船舶波浪增阻计算分析研究

摘要

在绿色船舶、安全船舶的发展趋势下，国际海事组织先后提出EEDI（Energy Efficiency Design Index，能效设计指数）和最小推进功率导则，前者中的失速系数fw直接影响到船舶的EEDI核算能否通过，后者需要船舶在风浪中保证一定航行速度。船舶波浪增阻一方面是影响失速系数的主要因素，另一方面也是核准船舶最小推进功率的重要组成部分。为此，本文基于泰勒展开边界元方法进行了波浪增阻的计算方法研究。
　　首先给出了有航速迎浪状态下的定解问题。本文在使用的泰勒展开边界元方法(TEBEM)中加入了匹配技巧，外域使用时域格林函数以顺利的外传波浪;内域使用泰勒展开方法以更精确的求解非光滑边界速度势及其导数。在速度势及其导数求解完成后，使用伯努利方程在船体表面对压力积分得到一阶力，之后使用四阶龙格库塔积分求解船舶垂荡、纵摇运动，最后在船体表面再次使用伯努利积分以得到二阶平均波漂力，即要求的波浪增阻值。
　　第二，以KCS集装箱船、KVLCC2油船为例进行TEBEM法数值方法的初步验证，并将计算结果与实验值、其他数值方法相比较验证，证明该方法对运动及波浪增阻求解有效。并对这两条船进行各增阻成分、船体各部分对增阻贡献的对比。
　　第三，使用TEBEM法对具有代表性的三条船:肥大型船KVLCC2、大外飘型船KCS、集装箱船S175进行了计算。将计算过程中用到的参数分为空间类离散参数、时间类离散参数以及自由面条件假设参数，并各自独立的进行收敛性计算分析。最终得到了一组通用的，兼顾计算精度和计算效率的无因次化参数。之后取这组无因次化参数，对两条船进行各增阻成分项的拆分比较，以初步验证这组无因次化参数的有效性。
　　第四，将上述的无因次化参数固定后，求解另外三条标模船:Wigley船、方型系数0.7的Series60船、DTC船，并将计算结果与另外数值方法、实验值相比较。证实了这种固定无因次离散参数的方法对求解波浪增阻问题是实用有效的。
　　第五，将TEBEM法计算结果与CFD方法、日本经验公式、STF/半经验公式方法的数值结果进行对比，证明了本文使用的方法在满足工程计算时间要求的前提下，有较好的计算精度。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1 本文研究的目的和意义

1．2现代海运对波浪增阻预测的要求

1．2．1 EEDI简介

1．2．2最小推进功率简介

1．3 船舶波浪增阻国内外研究现状

1．4本文工作概述

第2章泰勒展开边界元法求解波浪增阻问题

2．1 引言

2．2有航速势流时域定解问题

2．2．1定常势的求解

2．2．2匹配法求解非定常速度势

2．3泰勒展开边界元法求解流体速度势及其导数

2．3．1外域混合分布方法离散

2．3．2内域一阶泰勒展开离散

2．3．3内外域匹配条件与方法

2．4船舶波浪增阻压力积分法基本计算公式

2．5本章小结

第3章船舶波浪增阻计算验证及成分分析

3．1波浪增阻计算验证

3．1．1 KCLCC2船计算验证

3．1．2 KCS船计算验证

3．2波浪增阻成分分析

3．3 船舶各部位对波浪增阻的贡献比例分析

3．4 本章小结

第4章船舶波浪增阻计算策略挖掘

4．1 引言

4．2 空间类离散参数对TEBEM法计算结果的影响

4．2．1 匹配域对计算结果的影响

4．2．2 自由面网格对计算结果的影响

4．2．3物面网格对计算的影响

4．3 时间类离散参数对TEBEM法计算结果的影响

4．4 自由面条件假设对TEBEM法计算结果的影响

4．5 本章小结

第5章船舶波浪增阻计算策略验证

5．1 引言

5．2 Wigley型船波浪增阻计算验证

5．3 S60船波浪增阻计算验证

5．4 DTC船波浪增阻计算验证

5．5不同波浪增阻方法对比

5．5．1 日本半经验公式方法求增阻

5．5．2切片法／经验公式法求解增阻问题原理

5．5．3 S175船运动增阻比较验证

5．5．4 KVLCC2船运动增阻比较验证

5．6 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

附录