船舶精细流场数值模拟及基于PIV的试验研究

摘要

随着EEDI（Energy Efficiency Design Index）时代的到来，船舶设计已经不能仅满足围绕着设计工况下进行设计，人们试图寻找一个综合工况（即考虑船舶运输过程中船舶姿态、装载状况、风浪情况等综合性最好的工况），或一种综合的设计（即设计状态船舶可以以较好的状态航行、螺旋桨工作流场环境也较良好等）。同时，真实的船舶航行是自由度完全放开状态的，自由度固定与否对船舶的航行姿态有很大影响，以往的研究往往采用船舶固定进行问题简化模拟，基于以往研究本文基于船舶真实航行状态出发进行问题的模拟与分析。另外，随着船舶工况的改变，船舶的水动力性能随之发生明显的变化，研究重点已经不仅仅是对船舶阻力值或伴流分数进行研究，而是转向由这种显著改变引起流场变化，从流体细节上分析宏观阻力和船尾伴流场的变化。
　　文章采用CFD方法和水下PIV测量技术，对不同工况下（设计、压载、超载工况、波浪状态（仅进行试验研究）以及自由度放开状态）标准船型3600TEU集装箱船KCS（KRISO）裸船体绕流场、尾部伴流场进行数值预报，并开展PIV试验研究（试验研究包括阻力、运动响应、以及尾流场测量等）。通过对比分析不同工况下船舶的阻力变化，船身附近绕流场不同，船尾伴流场PIV测量值来分析不同工况下船舶的水动力性能，据此研究船舶工况变化对船舶性能的影响大小。
　　文章着重进行了不同工况下绕流场的细微差距研究，包括阻力值、升沉、纵摇运动响应，自由表面兴波，船身VOF分布，船身流线、船艉伴流场、船身湍流涡结构等。文章首先进行了船舶不同工况下PIV精细流场测量；接着进行了压载、超载等船舶绕流场CFD分析，通过与国际实验值以精细试验值对比分析证明了计算方法的可行性，并系统分析了设计工况与压载、超载工况下船舶水动力性能的异同；最后进行了自由度放开状态下船舶阻力、运动响应的试验研究，并通过应用Overset技术与DFBI模型进行了自由度放开状态下船舶绕流场的模拟，试验与模拟结果吻合性良好。最后，对自由度放开与否进行了系统的流场细节分析。

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第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 船舶绕流场国内外研究进展

1.2.1 基于EFD的船舶绕流场国内外研究进展

1.2.2 基于CFD的船舶绕流场国内外研究进展

1.3 本文的主要工作

第2章 基于PIV的船舶尾部伴流场试验研究

2.1 PIV方法简介

2.1.1 PIV测量原理概述

2.1.2 PIV示踪粒子

2.1.3 PIV设备与三维速度分量测量

2.2 船舶尾部伴流场PIV测量分析

2.2.1 试验条件与试验设备

2.2.2 试验模型

2.2.3 试验工况

2.2.4 随车式水下PIV精细流场的测量流程

2.2.5 PIV测量系统标定

2.2.6 PIV示踪粒子布散

2.2.7 船艉伴流场PIV测量方法

2.2.8 PIV图像数据处理

2.2.9 静水工况下试验测量结果

2.2.10 波浪工况下试验测量结果

2.3 本章小结

第3章 基于CFD的不同工况下船舶绕流场数值分析

3.1 CFD方法简介

3.2 静水中船舶绕流场数值分析

3.2.1 模拟对象与计算工况

3.2.2 数值模型

3.2.3 CFD网格、计算域与边界条件

3.2.4 KCS船模拟对象1计算结果与分析

3.2.5 KCS船模拟对象2计算结果与分析

3.3 本章小结

第4章 基于CFD的船舶自由度开放条件下绕流场数值分析

4.1 船舶自由度开放条件下绕流场数值分析

4.1.1 模拟对象与计算工况

4.1.2 数值模型

4.1.3 CFD嵌套网格、计算域与边界条件

4.2 试验研究与试验数据

4.2.1 KCS国际标准试验数据（KCS船模拟对象1）

4.2.2 KCS船模2试验研究（自由度开放状态下）

4.3 计算结果与分析

4.3.1 自由度开放条件下KCS船模1结果与分析

4.3.2 自由度开放条件下KCS船模2结果与分析

4.4 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