基于CFD的穿浪双体船耐波性预报技术研究

摘要

穿浪双体船是高性能船舶领域中发展最为迅速的船型之一，其不但具有良好的快速性和耐波性，同时也保留了常规双体船甲板面积宽阔的优点，被广泛的应用于民用和军用领域。然而，在不断发展的过程中，研究者们发现穿浪双体船在海上高速航行时的垂荡和纵摇的耦合运动会对船舶舒适性能造成不利的影响。因此在船型优化设计的初期，需要合理的对穿浪双体船在波浪中的运动进行预报。目前针对穿浪双体船在波浪中的运动预报方法以及不同浪向角下运动性能的研究等工作还不够完善。由于穿浪双体船在大幅运动过程中，穿浪艏的反复入水和出水，瞬时湿表面积发生剧烈变化，同时中体入水使得片体间产生破浪现象，流场的非线性效应较强，因此对于其运动过程中的流场细节模拟十分重要。本文在前人研究的基础上，将基于 CFD的三维粘性数值波浪水池技术应用到穿浪双体船的耐波性预报中，对穿浪双体船在迎浪中的运动性能进行研究，探讨其运动的非线性以及流场的细节变化，并对不同浪向角下的运动响应进行初步预报。
　　首先，基于 CFD理论建立了适用于船舶耐波性计算的三维粘性数值波浪水池，引入三维数值造波和消波技术，对波浪进行了有效的数值模拟，通过引入重叠动网格技术，探讨了重叠网格在计算船舶耐波性方面的适用性，同时对整个流场中的网格划分方法进行了研究，如：船体周围网格划分，边界层网格划分，自由波面上的网格分布等，选取得到一套最优化的耐波性计算网格。
　　其次，针对某穿浪双体船船模，利用三维数值波浪水池技术对其在迎浪中的垂荡和纵摇运动进行预报，并与试验值进行比较。通过运动相位和自然频率的估算，得到船舶相对波面运动的规律以及最大运动响应所对应的频率和航速范围，同时数值分析了穿浪艏对船体运动性能的影响。在此基础上进一步对迎浪中的运动非线性问题进行研究，计算得出垂荡和纵摇运动随波陡的非线性变化规律，模拟了自由液面和桨盘面附近的非稳态流动以及流场的非线性特征。
　　最后，本文对穿浪双体船在横浪以及斜浪中的运动预报技术进行研究，对零航速下浪向角为45度，90度，120度，135度下的三自由度运动进行了预报，对比了不同浪向角下运动曲线的变化规律。

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第1章 绪论

1.1课题研究背景

1.2 穿浪双体船耐波性的研究进展

1.3 CFD技术在船舶运动预报中的应用

1.4 论文选题目的

1.5 论文主要工作

第2章 数值理论基础

2.1 控制方程

2.2 湍流模型

2.3 VOF自由液面

2.4 船舶运动与流场的耦合计算

2.5 数值波浪的模拟

2.6 本章小结

第3章 针对船舶耐波性预报的网格技术研究

3.1 动网格技术介绍

3.2 重叠网格技术的应用

3.3 流场计算网格的划分方法研究

3.4 本章小结

第4章 穿浪双体船在迎浪中的运动性能研究

4.1 数值预报结果

4.2 运动相位计算

4.3 最大运动响应的影响因素分析

4.4穿浪双体船迎浪运动中的非线性因素分析

4.5 本章小结

第5章 穿浪双体船在横浪和斜浪中的运动预报

5.1零航速横浪中的运动预报

5.2 斜浪中三自由度运动预报技术研究

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