非对称双体船流场干扰及水动力特性研究

摘要

随着现代造船行业的不断发展以及建造技术的不断提升，各种新型的高性能船舶被不断开发出来。多体船相对于单体船具有好的稳性、减阻性及操纵性。所以近些年在民用、娱乐休闲和军事领域都有不少的应用。在常规船型已渐渐不能满足新的减排、高速要求的今天，对新型高性能船舶的设计开发具有十分重要的战略意义。
　　目前最为常见的高性能船为双体船及三体船，其优良的横向稳定性、宽大的甲板面积以及在减阻方面的优势吸引着大量的学者对其展开研究。但研究发现，双体船由于两个片体的对称性布置，使得在研究两片体之间兴波干扰时不能通过片体的灵活布置以获得有利的兴波干扰;三体船虽可以较灵便的调整片体位置，但由于船宽过大，航道会受限制。本文研究的非对称双体船，在发挥双体船和三体船具有的稳性、甲板面积等优势的同时，可以通过合理的船型布局设计克服双体船和三体船的运动耦合、不利兴波干扰等缺点。探讨性能更加优良的船体设计技术可为对该类新船型水动力构型特点、预报技术以及性能特性的认识和深入研究提供指导。
　　本研究根据双体船和三体船的性能，生成研究船型，首先基于粘流理论，探讨了非对称双体船的数值预报方法，验证了其用于CFD模拟的可行性。针对不同构型的非对称双体船进行了稳性研究;数值预报了不同船体构型对非对称双体船流场干扰、阻力及航行姿态的影响;采用势流理论方法计算了两个片体不同的船型参数组合对兴波阻力的影响，根据等值线图分析了兴波干扰特性。针对特定船型，数值预报了阻力随航速变化曲线，分析了变化特性;数值预报了研究船型在迎浪、横浪中的运动响应，通过与相近排水量的常规双体船阻力及波浪中运动响应对比，分析了非对称双体船型的相关特性。
　　研究表明，本文所采用的数值模拟预报方法适用于非对称双体船。船体的尺寸及构型对性能影响较大，通过合理布局，可以使船得到较好的综合性能。非对称双体船纵倾和升沉随着航速增加幅度显著增加。低航速时船舶阻力系数较双体船变化不大，较高航速时阻力系数低于常规双体船。顶浪航行时，非对称双体船的运动响应曲线峰值点随着航速增大逐渐后移，纵摇、横摇运动响应峰值点所对应的波长船长比不同。与相近排水量的常规双体船运动响应变化趋势相比，非对称双体船的垂荡与纵摇响应变化幅度有所降低;横浪航行时，由于船不对称性导致的兴波波形不同将使得船在两个浪向角的横浪航行状态下，船的运动响应变化趋势有所不同，这是非对称双体船的特点。波长的变化主要引起船周围的流场变化进而影响兴波阻力与粘压阻力，而对摩擦阻力影响不大。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1研究的目的和意义

1．2国内外研究进展

1．2．1双体船与三体船船型发展及性能研究

1．2．2非对称双体船研究

1．3本文研究工作

第2章波浪中船舶运动研究的基本理论

2．1粘性流体力学基本理论

2．1．1流体基本控制方程

2．1．2湍流理论

2．2壁面函数法

2．3波浪中运动求解相关方法

2．3．1水波理论

2．3．2自由液面捕捉方法

2．3．3惯性力矩

2．4势流理论求解方法

2．5本章小结

第3章船舶运动的粘流理论数值预报方法探讨

3．1静水中船舶运动数值模拟方法验证

3．1．1静水阻力结果与分析

3．1．2静水中航行姿态结果与分析

3．2波浪中船舶运动数值模拟方法验证

3．2．1 CFD造波方法探讨

3．2．2规则波下数值模拟方法验证分析

3．3本章小结

第4章不同船型参数对非对称双体船性能影响研究

4．1非对称双体船稳性研究

4．1．1初稳性高计算

4．1．2横摇固有周期计算

4．2不同构型非对称双体船静水阻力性能研究

4．2．1侧体与主体长度比变化对船体运动影响研究

4．2．2侧体与主体宽度比变化对船体运动影响研究

4．2．3侧体与主体中纵剖面距离变化对船体运动影响研究

4．2．4侧体与主体中横剖面距离变化对船体运动影响研究

4．2．5侧体与主体吃水比变化对船舶运动影响研究

4．3非对称双体船兴波阻力计算

4．3．1计算方法验证

4．3．2多船型参数组合下兴波阻力求解

4．4本章小结

第5章非对称双体船静水及波浪中运动响应预报

5．1不同航速下非对称双体船静水阻力性能研究

5．1．1计算工况及结果分析

5．1．2片体内外侧压力比较

5．1．3非对称双体船与双体船阻力系数比较

5．2非对称双体船迎浪航行时的运动响应预报

5．2．1计算模型与工况

5．2．2阻力计算结果与分析

5．2．3波浪中运动响应结果与分析

5．2．4船在航行过程中自由液面情况

5．3非对称双体船90度横浪航行时的耐波性能

5．3．1计算域与工况选择

5．3．2阻力计算结果与分析

5．3．3波浪中运动响应结果与分析

5．3．4船在航行过程中的自由液面变化情况

5．4非对称双体船负90度横浪航行时的耐波性能

5．4．1计算域与工况选择

5．4．2阻力计算结果与分析

5．4．3波浪中运动响应结果与分析

5．5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