数值流场环境下船舶Z形试验模拟研究

摘要

船舶操纵性是船舶重要水动力性能之一，与船舶航行的安全性和经济性密切相关。随着航运业和造船业的迅猛发展，现代化船舶向着大型化，高速化和专业化等方向发展，船舶航行的密度在不断增大，船舶操纵的难度也在不断加大。近年来，由于船舶操纵性原因而导致的碰撞、触底等海难事故时有发生，不仅造成了巨大的经济损失和人员伤亡，而且还严重的污染了海洋环境。为减少和避免因船舶操纵性而发生的海难事故和导致的严重后果，国际海事组织(InternationalMaritime Organization，IMO)在1993年和2002年分别颁布了临时和正式的船舶操纵性标准，对船舶设计阶段的操纵性预报提供了定量的标准要求。至此以后，国际上掀起了对船舶操纵性研究的热潮。
　　近年来，随着计算机科学技术的快速发展和数值模拟方法的不断完善，计算流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)方法被越来越多地应用于船舶水动力方面的研究。本文基于CFD理论，采用雷诺平均NS(Reynolds averagedNavier-Stokes，RANS)方程作为控制方程，应用SST k-ω湍流模型结合壁面函数使控制方程封闭;自由面模拟采用单相LevelSet方法;螺旋桨模型采用体积力模型;采用重叠网格技术实现结构化网格的划分和船舶6自由度运动;运用有限体积法(Finite Volume Method，FVM)对RANS方程进行离散，并采用PISO(Pressure implicitsplit-operator，压力隐式算子分割)算法进行耦合求解;对船舶Z形10°/10°操纵试验粘性流场进行数值模拟。
　　本文以大连海事大学教学实习船“育鲲”轮为研究对象，数值模拟Z形10°/10°操纵试验，通过将数值计算结果与实船试验数据相比较，航向、舵角和速度误差均在10％以内，并对自由面波形及船体和舵表面的压力做出了分析。本文所采用的数值方法成功地实现船舶Z形操纵试验的数值模拟，可为进一步研究更为复杂的操纵性问题提供参考和帮助。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景及研究意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文的主要工作

第2章 CFD基本理论及数值方法

2．1 船舶CFD历史发展及应用

2．2 数学建模

2．2．1 控制方程

2．2．2 湍流模型

2．2．3 壁面函数

2．3 自由面的数值模拟

2．4 数值方法

2．4．1 离散方法

2．4．2 离散格式

2．4．3 PISO算法

2．5 重叠网格

2．5．1 挖洞的基本原理

2．5．2 寻点的基本原理

2．6 船舶6自由度运动求解

第3章 数值水池的建立

3．1 “育鲲”轮简介

3．2 模型的建立

3．2．1 船体模型和舵模型的建立

3．2．2 螺旋桨模型

3．2．3 计算域模型的建立

3．3 网格划分

3．4 边界条件的设置

第4章 Z形试验数值模拟

4．1 计算策略

4．2 计算结果对比及分析

4．2．1 航向和舵角

4．2．2 航行中速度变化

4．2．3 自由面波形

4．2．4 压力

4．3 误差分析

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢

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