通海水舱减摇特性数值研究及应用

摘要

船舶的耐波性研究一直以来都被研究者所重视，耐波性对于适居性、安全性、航行使用性等方面至关重要。一般船舶横摇问题尤为突出，这是由于横摇阻尼和复原力矩都很小，但这也给控制横摇运动提供了广泛的研究空间，减摇装置层出不穷。通海水舱作为一种最早出现在上世纪前半叶出现的船舶减横摇方式，为船宽较大、不宜布置内部减摇水舱的船舶提供了一种减摇方案。 本文的研究对象是一种混凝土箱型浮式平台，海洋经济发展日新月异，混凝土浮式平台在离岸工业、港口海运、滨海旅游等产业中扮演着众多角色，其耐波性问题也颇受关注。本文以传统通海水舱为基础，联想到港口工程中常用的混凝土沉箱开孔消波结构，尝试将这种结构应用在浮式平台上，形成一种双壳通孔减摇水舱。由于浮式平台由于其运动特性，与静止的沉箱结构水流特点不尽相同，因此进行浮式平台与流场的耦合运动研究非常必要。通过数值计算验证了这种结构的减摇效果，并详细计算了结构尺寸对减摇效果的影响，指导双壳通孔结构的设计。 传统底部开孔的通海水舱的研究多使用势流方法，这是因为其主要考虑水流在小孔内外交换，流动容易简化。在本文的研究中，水舱开孔在水线附近，流场情况极为复杂，粘性影响更加显著，势流方法难以求解。CFD商业软件的日臻成熟，复杂流动的粘性数值模拟门槛降低。本文首先使用粘性CFD方法数值模拟了传统通海水舱在混凝土平台上应用的问题，认为该种水舱减摇效果有限，进而提出了在双壳侧面开孔的新的水舱形式。然后，将该结构应用在两种长宽比的箱型混凝土平台A、B上，并进行了静水中自由衰减、规则波中运动的系列数值模拟。同时进行了A平台在水池中的模型试验，与数值模拟结果进行对比，二者吻合度较好。在平台B上针对双壳穿孔水舱这种水舱的开孔形式（开孔率）进行了高度、宽度、个数对平台横摇阻尼系数的影响的系列计算，得到了开孔率增加时，线性阻尼下降非线性阻尼增加的结论。在进行不同的开孔率平台在规则波中的横摇运动时，发现开孔率越大，减摇效果越好。在平台B不同工况的计算中发现，当横摇惯性矩较大、重心较高时，箱型平台的横摇阻尼系数增大，横摇频响降低，水舱的减摇效果下降。最后进行了系列尺寸B型平台在不规则波中的短期预报计算，发现在常见的波浪周期4~8s的不规则波中，新型双壳多孔减摇装置均能达到50%的减摇效果。 本文提出了一种新型减摇设计，对于长宽比较小的这一类平台结构，无论是混凝土结构还是钢结构、塑料质地、玻璃钢质地的平台，双壳穿孔水舱结构都成为一种可行的减摇方案。该结构拥有减摇效果较好、造价低、施工工艺简单、结构稳定、减摇范围较广等特点，还能在基本不改变平台排水量的情况下增大甲板面积。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和现状

1.2 横摇问题研究发展

1.3 本文主要内容及创新点

第2章 粘性CFD数值计算基础理论

2.1 控制方程

2.2 湍流模型

2.3 离散格式

2.4 网格划分

2.5 重叠网格

2.6 流场计算方法

2.7 自由面的捕捉

2.8 六自由度运动方程

2.9 边界条件和初始条件

2.10本章小结

第3章 数值造波技术

3.1 波浪理论应用范围

3.2 波浪理论

3.3 消波方法

3.4 规则波造波试验

3.5 本章小结

第4章 通海水舱减摇机理分析

4.1 通海水舱减摇特性

4.2 横摇自由衰减数值模拟

4.3 横摇频响数值计算

4.4 新形式的双壳通孔水舱

4.5 本章小结

第5章 双壳通孔水舱箱型平台波浪中运动数值模拟及试验验证

5.1 自由衰减数值模拟及试验验证

5.2 箱型平台A规则波横摇频响数值模拟及试验验证

5.3 双壳通孔水舱箱型平台自由衰减数值模拟及试验验证

5.4 双壳通孔水舱平台A横摇频响数值模拟及试验验证

5.5 双壳通孔水舱箱型平台的减摇效果

5.6 本章小结

第6章 箱型平台壳体开孔改造减摇设计

6.1 开孔形式对横摇阻尼系数的影响

6.2 平台B在波浪上横摇运动频响数值模拟

6.3 不同尺度箱型平台横摇预报

6.4 本章小结

第7章 结论

7.1 本文工作总结

7.2 研究展望

致谢

参考文献

攻读硕士期间获得的科研成果