气层减阻船舶波浪中运动数值模拟及特性研究

摘要

船舶的节能减排不仅关系着节约资源、环境保护，而且影响着航运业的经济利益。尤其国际海事组织（IMO）对新船建造施行的强制效率标准，也就是能源效率设计指数（EEDI），使船舶能效标准变得更加严格。如何发展船舶的节能减排技术，成了目前航运业亟待解决的问题。因此，开展相关的科学创新与技术研究是非常必要的。通过在船舶底部通入空气进行减阻是一种环保而高效的手段，进行船舶气层减阻研究对减少大气污染、船舶节能减排及落实国际海事组织（IMO）新规范等具有重要的理论和工程实际意义。 目前多数学者主要研究静水中船舶气层减阻问题，波浪对气层及气层减阻船舶运动性能的影响研究极少。波浪对气层作用是气层减阻实船应用和发展的关键技术问题，因此本论文进行气层减阻船舶波浪中运动数值模拟及特性研究具有重要的理论和实际意义。 针对波浪问题，本文分别进行了数值造波方法研究和船舶在波浪中的运动预报方法研究。选取排水式船舶和滑行艇两种具有代表性的船型，进行了波浪对气层影响特性研究、航速升高对气层影响研究、船型特点对波浪中气层布局影响研究等。针对常规排水式船舶和带有凹槽的排水式船舶，本文分别讨论了通气量、波长船长比、波高、凹槽等对气层减阻和船舶垂荡幅值、纵摇幅值、重心加速度幅值等运动响应的影响。对于带有气层的滑行艇，本文主要讨论了通气量以及波长对其在波浪中气层减阻的影响，并通过表面剪应力分布图和气相分布图探讨了相关的机理。 研究表明，对于排水式船舶，气层使船体表面剪应力减小，因而减小了船体摩擦阻力；船底凹槽增大了气层的分布面积，从而使带有凹槽的船舶摩擦减阻率相对更高。波长的变化主要影响总阻力减阻率，对摩擦力减阻率的影响不大；当波长变化时，船底部通气主要影响重心加速度幅值，对纵摇幅值和垂荡幅值影响不大。对于滑行艇，在较低通气量范围内，通气量的增加使摩擦力减阻率和总阻力减阻率都明显提高；波长的变化对滑行艇摩擦阻力减阻率和总阻力减阻率影响都不大，波长变化时艇底部通气主要影响滑行艇的重心加速度幅值。

目录

声明

第1章 绪论

1.1本文研究的目的及意义

1.2船舶气层减阻相关研究概况

1.3本文研究工作

第2章 船舶在波浪中运动研究的基本理论与方程

2.1船舶六自由度运动描述及基本方程

2.2流体基本控制方程

2.3湍流控制方程

2.4湍流模型

2.5初始条件及边界条件

2.6数值求解方法及网格离散

2.7自由液面捕捉方法

2.8本章小结

第3章 船舶在波浪中运动的粘流理论数值模拟研究

3.1数值造波方法研究

3.2基于粘流理论的船舶在波浪中运动预报方法研究

3.3波浪中船舶气层减阻预报方法研究

3.4本章小结

第4章 波浪对排水式船舶气层减阻的影响研究

4.1计算模型与网格划分

4.2计算方法及边界条件

4.3通气量对两种船模气层减阻的影响

4.4波长对两种模型气层减阻及运动响应的影响

4.5波高对气层减阻船舶阻力及运动响应的影响

4.6本章小结

第5章 滑行艇在波浪中气层减阻的影响研究

5.1通气量对滑行艇气层减阻和运动响应的影响

5.2波长对滑行艇气层减阻和运动响应的影响

5.3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