船舶水动力系数计算及在规则波中的运动预报

摘要

随着世界经济发展，船舶作为各国贸易往来的重要交通运输工具，正朝着大型化、高速化和多样化发展。而航道中船舶数量的增加使航道变得越来越拥挤，导致事故不断发生。另一方面，在航行时由于受到风、浪、流的影响，船舶不可避免的发生摇荡，如果在此时，出现了一些致命的操作失误那将造成严重的后果。因而船舶操纵性和耐波性与船舶航行安全密切相关，必须对其进行预报。
　　 在船舶设计阶段采用CFD技术对船舶的水动力性能和在波浪中的运动机理进行预报，这对船舶的生产建造具有极大的实际意义和应用价值。随着计算机的快速发展和大量应用，船舶CFD的计算能力也随之增强，计算方法也不断的推陈出新，计算精度也在不断的提高。这使得船舶CFD技术对船舶优化设计的作用也越加的重要，越来越有取代一部分船模试验的趋势。
　　 本文以ITTC推荐的S－175集装箱船的船模为研究对象，首先CFD方法对该船模进行阻力预报，采用SIMPLEC算法求解压力速度耦合方程组，二阶迎风格式离散对流项，标准壁面函数求解近壁面区域流动，分别采用标准k-ε，RNG k-ε以及SSTk-ω模型计算不同来流速度下S-175试验船模直航阻力系数。然后采用CFD方法模拟船模纯横荡运动、纯摇艏运动，获得了相关水动力系数。其中考虑到计算的复杂性，忽略自由表面兴波、附体和船模浮态的改变。最后基于三维线性势流理论，运用流体动力学软件HYDROSTAR，讨论了低速航行船舶扰动流场速度势的定解条件，并描述了采用扩展的边界积分方法消除不规则频率现象，根据刚体受力原理建立船舶运动微分方程，求解出船舶运动响应。