小攻角斜侧体三体船水动力性能数值模拟

摘要

三体船作为一种新型高性能船舶日益受到人们的关注，许多国家进行了大量的试验和理论研究，并已有若干实船投入使用。侧体的存在使船体周围流场变得十分复杂，同时也使三体船水动力发生很大变化，如何优化侧体布局、改善三体船体水动力性能一直是研究的热点。本文基于商用CFD软件FLUENT对三体船粘性流场进行数值模拟，分析了当侧体倾斜并带有攻角时，流场中流动特性的改变及三体船阻力和浮态的变化。
　　 模拟水面船舶流动问题的一个关键部分是对自由液面的处理，本文首先对现代复杂船型DTMB5415粘性流场进行了数值模拟，并与国际上公开的试验结果进行了比较，结果表明VOF方法能够比较精确地模拟自由面，同时数值模拟能够给出与试验相吻合的阻力和伴流，具有一定的准确性。湍流模式是船舶CFD中的一个重要因素，本文针对五种常用的两方程湍流模式，以油船模型KVLCC2M为计算模型，分析了不同湍流模式对船体阻力计算和流动细节捕捉的影响。研究结果表明，RNG K-ε模式和SST K-ω模式能够比较精确地预报船体阻力，并能成功地捕捉到船尾伴流的“钩”型等值线,标准K-ω模式给出了与试验结果最为接近的伴流分布。
　　 本文对一艘三体船型FAl在不同速度下的粘性流场进行了模拟，从自由面波形上看，数值模拟能够清晰地反映出三体船主体和侧体之间强烈的兴波干扰现象，可以为优化侧体布局提供参考，对于阻力计算，数值结果大体上能够与试验数据相一致，在低速段吻合得比较好，高速时偏差略大，整体上看，基于CFD对三体船流场进行数值模拟具有一定的可靠性。
　　 本文针对E2三体船，模拟了当侧体具有不同倾角和攻角时的粘性流场。为了分析侧体位置对浮态的影响，本文使用了动网格技术，在网格处理上采用了动静网格分区方法，避免了因复杂外形物体运动而导致结构网格畸变的现象，保证了计算精度和稳定性。计算过程中分别对约束船模和自由船模两种状态进行了模拟，通过对结果进行分析发现，对于高速三体船，阻力计算时考虑浮态是必要的，适当的倾斜侧体并给以合适的攻角可以改善三体船航行时的浮态，在某些情况下还可以减小阻力，但过大的攻角会增加船体阻力。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1本文研究的目的与意义

1.2船舶CFD的发展

1.2.1船舶CFD的回顾

1.2.2船舶CFD现状和趋势

1.3三体船的发展概况和研究进展

1.3.1三体船特点及发展

1.3.2三体船水动力研究进展

1.4论文的主要工作

第2章数值模拟的基本理论及方法

2.1有限体积法基本思想

2.2基本方程

2.3 RANS方程

2.4湍流模式

2.4.1标准κ-ε模型

2.4.2 RNGκ-ε模型

2.4.3 Realizable κ-ε湍流模型

2.4.4标准κ-ω湍流模型

2.4.5 SST κ-ω模型

2.5边界条件的处理

2.5.1入口

2.5.2出口

2.5.3对称面

2.5.4壁面

2.6计算网格

2.7自由液面的模拟

2.8本章小结

第3章带自由面复杂船型粘性流场数值模拟

3.1引言

3.2 DTMB 5415模型

3.3计算网格

3.4计算方法和边界条件

3.5计算结果及分析

3.5.1阻力

3.5.2自由面波形

3.5.3伴流

3.6本章小结

第4章湍流模式的比较

4.1目的和意义

4.2油船船模KVLCC2M

4.3网格划分

4.4计算方法

4.5计算结果比较

4.6本章小结

第5章三体船粘性流场数值模拟

5.1引言

5.2计算模型

5.3计算域及网格

5.4计算方法和边界条件

5.5计算结果及讨论

5.5.1阻力

5.5.2自由表面波形

5.6本章小结

第6章小攻角斜侧体三体船粘性流场数值模拟

6.1引言

6.2船型及主要参数

6.3动网格策略

6.4计算方法

6.5计算结果及分析

6.5.1约束船模

6.5.2自由船模状态

6.6本章小结

结 论

参考文献

致 谢

附录A UDF程序