基于CFD的减摇水舱阻尼隔板设计与船舶横摇模拟

摘要

船舶在波浪中产生的摇荡运动，影响着船舶的使用性能和安全性。其中，横摇的运动显著而影响严重，为了减少船舶在波浪中的摇荡，船上一般都会加装减摇装置，如减摇水舱等。横摇受粘性作用影响，减摇水舱中流动复杂且有强非线性和随机性，目前对此的理论计算还不能用于工程实际。基于CFD的数值模拟方法为解决船舶横摇预报、减摇水舱研究等问题提供了一种新的实现手段。
　　 本文以一艘海洋工程船为对象，以基于CFD的RANS方法，计入粘性和自由面的影响，通过数值模拟，针对其横摇预报和减摇开展了一系列工作，进行了较为全面的分析研究。
　　 首先，在探讨了无隔板水舱的晃荡特性后，进行三维矩形平面被动式减摇水舱的阻尼隔板设计，以提高水舱的减摇效果。选取3种舱内液深，设计6种隔板方案，比较了各液深下不同开孔方案的水舱强迫振荡水动力，并分析其减摇效果。讨论了不同的隔板位置和数目对阻尼效果的影响。优选得到的阻尼板方案，在模型试验中最大减摇效果达到65％。之后讨论了不同的周期、幅值、共振、转动中心等对水舱横摇的影响，分析后得到了一些结论和水舱使用的建议。
　　 其次，模拟了船舶的典型剖面和带附体三维船模的静水中强迫横摇运动，对比剖面和船体的受力，分析横摇阻尼系数，讨论了舭龙骨、横摇周期、幅值等对船舶横摇的影响，得到了一些变化规律和结论;并进行了舭龙骨设计。
　　 本文所用数值模拟方法能很好地用于强非线性复杂流动问题，对于水舱、船舶的二维或三维振荡，都可以成功的模拟，易于改变模型参数，进行系列设计;并表达流场细节，再现流动情景，预报相关水动力，仿真的准确性能满足要求，对工程应用很有实际意义。
　　 通过本文的工作得到了以下结论:
　　 1)在本文给出的6种阻尼隔板开孔方案中，减摇水舱的隔板开孔率与其阻尼效果成正比。水舱内液深、隔板的数目和位置选取对阻尼效果有较大影响。
　　 2)在一定范围内，有水舱阻尼随周期变大而变大。不同的液深和隔板方案对这一周期范围有影响。
　　 3)带隔板水舱的阻尼效果随横摇幅度的增大而增大。
　　 4)横摇周期变化时，可调节水舱液深使水舱发生共振，达到最好的阻尼效果。在船吃水变化时，水舱一直发挥着良好的减摇作用，浅吃水时更能提供较大一些的阻尼效果。
　　 5)船舶的横摇阻尼随着横摇频率的增大而逐渐增大，近似成线性关系。横摇阻尼随横摇幅值的增大而增大，近似成线性关系。
　　 6)安装舭龙骨增大了船舶的横摇阻尼。本船更宜安装较宽而有一定长度的舭龙骨。
　　 7)水舱和船舶横摇的无因次阻尼系数B44有明显的尺度效应，随船舶尺度的增加而变大。
　　 8)船舶横摇情况一定时，调节减摇水舱液深可以增大水舱的有效减摇区间。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的目的和意义

1．2 船舶横摇与减摇水舱的研究进展

1．2．1 船舶横摇的国内外研究进展

1．2．2 减摇水舱的国内外研究进展

1．3 本文的主要工作及创新点

1．3．1 主要工作

1．3．2 创新点

第2章 数值模拟方法

2．1 CFD基本方程

2．2 模型的建立

2．2．1 船体建模

2．2．2 网格划分

2．3 FLUENT参数设置

2．3．1 边界条件

2．3．2 多相流模型

2．3．3 湍流模型

2．3．4 求解器设置

2．3．5 动网格与UDF

2．4 本章小结

第3章 减摇水舱的横摇数值模拟

3．1 引言

3．2 无隔板水舱的横摇模拟

3．2．1 二维模拟

3．2．2 单水舱三维模拟

3．3 水舱的阻尼隔板设计

3．3．1 阻尼隔板的开孔形式设计

3．3．2 阻尼隔板的数目与位置设计

3．4 其它数值模拟结果及分析

3．4．1 周期对水舱横摇的影响

3．4．2 幅值对水舱横摇的影响

3．4．3 共振对水舱横摇的影响

3．4．4 转动中心对水舱横摇的影响

3．4．5 尺度效应的影响

3．5 本章小结

第4章 船舶横摇的数值模拟

4．1 数值计算模型

4．2 周期对船舶横摇的影响

4．3 幅值对船舶横摇的影响

4．4 舭龙骨对船舶横摇的影响

4．4．1 有无舭龙骨的影响

4．4．2 试验的验证

4．4．3 舭龙骨设计

4．5 尺度效应的影响

4．6 水舱对于船的减摇效果

4．6．1 力矩的对比

4．6．2 水舱于船的减摇效果

4．7 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文