吃水差对WIGLEY船体下沉量影响的数值分析

摘要

船舶由静止开始向前航行排开周围水体引起船体表面压力分布不均，致使船体在垂直方向上运动同时伴随纵倾角的变化。这种船舶由于航行产生的垂直位置的下沉和纵倾角变化的现象称为船舶下沉。船体下沉量的计算精度对估计安全航行所需富余水深有着极其重要的影响。
　　通过阅读总结文献发现目前研究船体下沉量的常用方法有三种，分别为理论分析法、试验法及数值模拟法。理论分析法基于势流理论，结果真实可靠但其假设条件过于理想化并且计算过程比较繁琐，在实际应用中受到限制。试验法立足船模试验和实船数据回归出经验公式，但回归得到经验公式有严格的适用范围。数值模拟法基于计算流体力学通过求解流场控制方程以模拟流场信息。该方法可以很好的模拟各种船体外部流场，且耗资少且取得结果快。各位研究人员数十年研究表明，影响船体下沉量主要因素有船速、方形系数和航道深度。但目前研究结果基本上都是基于船体正浮的假设，忽略了船体吃水差对船体下沉量的影响。而实际生产中船体存在吃水差是很常见的，并且已有研究表明吃水差对船体阻力存在影响。为此，本文基于计算流体动力学利用FLUNET流体计算软件使用数值模拟的方法进行研究吃水差对船体下沉量的影响。
　　首先，将计算流体动力学知识应用到船体下沉量求解上，介绍了结合船舶运动模型的数值求解下沉量方法;并针对数值方法中存在的离散误差进行了分析，得到能准确求解下沉量的网格划分尺寸、离散格式和时间步长最佳设置。接着，使用提出的数值求解下沉量的方法建立Wigley船体下沉量计算模型，求解存在吃水差的船体在不同水深吃水比下的船体下沉量和存在吃水差的船体在不同速度下的船体下沉量。
　　通过对计算得到的结果进行分析，发现在深水域存在吃水差的船体下沉量与平吃水船体下沉量基本相等;而当船体处于浅水域时，吃水差对船体下沉量的影响不可忽略，且速度越大其对下沉量的影响越大，该结论通过分析船体附近流场信息得到证实。最后将存在吃水差的计算结果与平吃水比较回归得到吃水差在不同航行环境下对船体下沉量的影响公式。吃水差对船体下沉量影响分为对船中下沉量的影响和对纵倾角变化的影响。船中下沉量变化量与初始纵倾角呈正相关关系;纵倾角变化量与初始纵倾角呈正比例关系。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 论文主要研究内容

第2章 船体下沉量数值计算方法

2．1 船体下沉运动方程

2．2 船体外部绕流数值模拟

2．2．1 流场控制方程

2．2．2 湍流模型

2．2．3 自由面捕捉模型

2．2．4 微分方程离散方法

2．2．5 代数方程的数值解法

2．3 船首(尾)下沉量计算公式

2．4 影响数值计算误差的因素

2．4．1 空间离散

2．4．2 离散格式

2．4．3 时间步长

第3章 Wigley船体下沉量计算模型的建立及验证

3．1 Wigley船体下沉量模型建立

3．1．1 Wigley船体建模

3．1．2 计算域的建立

3．1．3 定义边界条件

3．2 船体下沉量数值计算模型的验证

3．2．1 船体表面网格尺寸的确定

3．2．2 离散格式的选用

3．2．3 时间步长的选取

第4章 吃水差对Wigley船体下沉量影响的数值计算

4．1 深水中吃水差对下沉量影响的数值计算

4．1．1 实验设计

4．1．2 深水中压力云图分析

4．1．3 深水中水线面波高分析

4．1．4 深水中船中下沉量及纵倾角变化

4．2 中等水深中吃水差对下沉量影响的数值计算

4．2．1 试验设计

4．2．2 中等水深船体压力云图分析

4．2．3 中等水深中水线面波高分析

4．2．4 中等水深中船中下沉量和纵倾角变化量

4．3 浅水中吃水差对下沉影响的计算

4．3．1 实验设计

4．3．2 浅水中压力云图分析

4．3．3 浅水中水线面波高分析

4．3．4 浅水中船中下沉量及纵倾角变化

第5章 吃水差对Wigley船体下沉量影响量的回归

5．1 不同水深中吃水差影响的回归

5．2 不同速度下吃水差影响的回归

第6章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

致谢

作者简介