船舶纵倾减阻方法及应用研究

摘要

节能减排成为当今社会重点关注的问题，随着船舶工业的不断发展以及一系列有关节能减排国际新标准的相继出台，绿色船舶技术以其低碳、节能和环保的特点日益受到业界重视，从而成为船舶工业发展的重要方向，而具有优良的阻力性能是绿色船舶的重要体现。目前，阻力性能优良的船舶主要通过型线优化设计的方法来得到，但是对于已经运营的船舶来说，通过改型方法实现减阻会付出很大的代价。而船舶纵倾节能技术是一种快速响应目前行业形势且方便可行的方法，该方法无需对船舶进行改型，只需对船舶的首吃水和尾吃水进行调整即可实现减阻，即在全航程各个工况下寻找快速性比较优秀的船舶纵倾姿态，以减少目标航速下航行时所需的功率。本文在研究方法、水动力特性、实船应用、影响因素和系列船型图谱等方面对纵倾节能技术开展了系统的研究，使得该技术能够更好地应用于各类船舶，实现节能减排的目的。
　　船模试验和CFD（Computational Fluid Dynamics）数值模拟相结合的方法是船舶水动力性能研究的主流方法，但试验结果和CFD数值模拟结果的可信赖程度评估是个关键问题。本文第一部分工作是开展了4250TEU集装箱船模型阻力试验研究，为了评估试验数据可靠性并提高试验精度，采用ITTC（International Towing Tank Conference）最新推荐规程开展了船模阻力试验的不确定度分析，对阻力试验过程中各误差源及其不确定度计算方法进行了研究。通过数据简缩方程的不确定度计算，给出了总不确定度及各误差源不确定度对总不确定度的贡献率。本文第二部分工作是研究了集装箱船型阻力数值预报方法，对数值模拟过程中的各个关键技术，包括船体曲面造型、计算域和边界条件的确定、全结构化网格的划分和数值求解方法等开展了详细的讨论和分析。并且基于ITTC规程对数值计算结果进行了不确定度分析，以确认数值计算结果的可靠性。
　　本文第三部分工作是开展了不同纵倾角下船舶的水动力性能变化特性研究，采用CFD数值计算的方法，从船型、阻力成分和船舶周围流场三方面入手，研究4250TEU集装箱船纵倾减阻原因，为该技术能够更好地应用于实船提供理论支撑。本文第四部分工作是开展了纵倾节能技术的实船应用研究，首先将4250TEU集装箱船的船模阻力数据转化为实船的主机功率，形成基本数据库。然后应用三维响应面的方法建立主机功率关于吃水、纵倾和航速的三维响应面，在响应面上采用直接搜索法寻找最佳纵倾值。最后基于响应面优化算法开发了能够指导船舶实际营运的纵倾优化软件系统，并进行了实船航行试验，验证了该软件系统的实用性和节能效果的可靠性。
　　本文第五部分工作是研究了推进效率和浅水航道对最佳纵倾的影响，采用模型试验的方法，开展了1100TEU集装箱船船模在不同纵倾状态下的阻力试验和自航试验，寻找各工况下船舶快速性能最佳的航行纵倾点，分析推进效率对最佳纵倾产生的影响。采用 CFD数值计算的方法，开展了4250TEU集装箱船在不同水深航道中的变纵倾阻力计算，分析不同水深航道对最佳纵倾产生的影响。本文第六部分工作是对系列集装箱船分别开展了不同的吃水、纵倾角和速度下的船模试验，研究各集装箱船型在变纵倾状态下的阻力变化特性，创新性地给出了集装箱船最佳纵倾估算图谱，可用于集装箱船在实际运营过程中的纵倾调整，有助于推广纵倾减阻技术及其产业化。
　　本文关于纵倾节能技术的研究结论可直接应用于集装箱船型，实现节能减排。而关于纵倾节能技术的研究思路、方法和过程亦可应用于其它船舶纵倾优化的研究。

目录

声明

绪论

1.1 研究背景

1.2国内外研究现状

1.3 本文主要研究内容

1.4本文的创新点

集装箱船模型阻力试验及不确定度分析

2.1 引言

2.2 基本定义及研究对象

2.3 4250TEU集装箱船模型试验概述

2.4 船模阻力试验及换算方法

2.5 船模阻力试验不确定度分析

2.6 不确定度分析结果

2.7 本章小结

集装箱船阻力CFD计算及不确定度分析

3.1 引言

3.2 船舶总阻力物理成分

3.3 船舶总阻力和粘性阻力计算方法

3.4 数值计算不确定度分析

3.5 本章小结

集装箱船纵倾减阻水动力性能分析

4.1 引言

4.2 数值计算模型

4.3 船型变化分析

4.4 船舶各阻力成分变化分析

4.5船舶周围流场变化分析

4.6本章小结

集装箱船最佳纵倾软件开发及实船试验

5.1 引言

5.2 纵倾优化基本数据源

5.3 船舶纵倾优化方法

5.4 最佳纵倾软件开发

5.5 实船试验

5.6 本章小结

推进效率和浅水航道对最佳纵倾的影响

6.1 引言

6.2 1100TEU集装箱船模型试验

6.3 推进效率对最佳纵倾的影响

6.4 浅水航道对最佳纵倾的影响

6.5 本章小结

集装箱船最佳纵倾估算图谱

7.1 引言

7.2 系列船型参数及试验内容

7.3 系列船型最佳纵倾曲线

7.4 集装箱船最佳纵倾估算图谱

7.5 本章小结

总结与展望

8.1 全文总结

8.2 研究展望

致谢

参考文献

附录A 数据库

攻读学位期间发表论文和成果

攻读学位期间参与的科研项目