基于CFD方法的船舶水动力性能预报及优化

摘要

CFD方法因其预报精度高、适用性广、计算结果稳定、可重复性高、成本低廉、周期短等优势，在各领域受到广泛关注。CFD方法在船舶水动力学性能的研究中主要集中在三个方面:船舶水动力性能预报、船舶水动力问题机理研究以及船舶水动力性能优化。本文使用CFD方法对船舶水动力性能预报、机理研究以及优化展开研究。 首先，对CFD基本原理进行阐述。根据船舶水动力学问题的特点，详细叙述了控制方程、有限体积离散、边界条件、湍流模型等。此外，对CFD不确定度分析展开研究。提出一种可考虑因子间交互作用的多因子CFD不确定度分析方法，并使用该方法对船舶静水总阻力预报展开不确定度分析。分析中包括网格尺寸、时间步长、网格形式和湍流模型四个因子。该方法是对原方法方法改进而来，使用正交试验方法替代原方法中的控制变量法，可对各因子同时展开分析。该方法中，各因子的不确定度分析同时展开，分析中考虑了各因子间的相互影响。且由于各因子同步进行分析，解决了原方法中各因子独立分析时其他因子的参数设置依赖于经验的问题。 其次，使用CFD方法预报船舶水动力性能，包括船舶静水阻力、螺旋桨水动力性能、船舶操纵性及船舶耐波性等。在船舶水动力性能预报的基础上，发挥CFD方法的优势，对三个特殊的船舶水动力问题的机理展开研究。包括船舶航态对静水总阻力预报精度的影响、螺旋桨尺度效应问题以及四桨船内外桨载荷分布不均匀产生的原因。对于船舶航态对静水总阻力预报精度的影响，对比了航态对过渡型船舶和排水型船舶的静水阻力预报精度的影响。对于螺旋桨尺度效应问题，使用全相似方法对螺旋桨尺度效应问题进行分析，结果表明在全相似条件下，模型尺度和实尺度螺旋桨的尺度效应基本消除。在对四桨船内外桨载荷分布不均匀性问题的研究中，发现螺旋桨周围流场存在3个区域:尾流区、加速区和减速区。尾流区为螺旋桨正后方（桨盘范围内）区域，该区域内流体流速极大。布置在此区域内的螺旋桨载荷将大幅减小。螺旋桨前方区域为加速区，该区域内流体加速，布置在该区域的螺旋桨载荷减小。螺旋桨后方除尾流区以外的区域为减速区，该区域内流体减速，布置在该区域的螺旋桨载荷增大。从而揭示出四桨船内外桨载荷分布不均匀产生的机理。 最后，对船舶水动力性能优化中的关键技术——船体几何重构方法展开研究，提出一种新的船体几何重构方法——自融合方法。自融合方法以原始船型的横剖面为基本单元进行融合操作，产生新的船体横剖面，并以新横剖面为基础进行重构生成新的船体曲面。该方法具有参数数量少、船体变形空间大、重构后的曲面光顺等特点。将其与CFD方法和遗传算法结合，对船舶水动力性能展开优化，包括全船外形优化、船体局部外形优化、混合优化及多目标优化，较为全面的展示了自融合方法在船舶外形优化中的应用。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1绪论

1．1课题背景与研究意义

1．2国内外研究进展

1．3本文的主要工作

2 CFD基本原理及不确定度研究

2．1 CFD基本原理

2．1．1计算域定义

2．1．2计算域的空间离散

2．1．3控制方程

2．1．4有限体积离散

2．1．5湍流模型

2．2基于正交试验方法的CFD不确定度分析

2．2．1 CFD不确定度分析方法

2．2．2改进的CFD不确定度分析方法

2．2．3基于正交试验方法的CFD不确定度分析算例

2．3本章小结

3基于CFD方法的船舶水动力性能预报

3．1船舶静水阻力预报

3．2螺旋桨水动力性能预报

3．2．1螺旋桨基本理论

3．2．2滑移网格技术及螺旋桨水动力性能计算

3．3船舶操纵性预报

3．3．1分离型模型

3．3．2船体附加质量及附加惯性矩

3．3．3船体粘性类流体动力及力矩分解

3．3．4船体粘性类流体动力导数数值计算

3．3．5螺旋桨上的流体动力和力矩

3．3．6作用于舵上的流体动力和力矩

3．3．7操纵性运动方程数值计算

3．4船舶耐波性预报

3．4．1海浪概述

3．4．2线性系统

3．4．3海浪谱选取

3．4．4船舶频率响应函数计算

3．4．5船舶运动响应幅值计算

3．5本章小结

4基于CFD方法的船舶水动力理论问题研究

4．1航态对船舶静水总阻力预报的影响

4．2螺旋桨尺度效应问题及CFD全相似数值计算

4．2．1螺旋桨尺度效应

4．2．2螺旋桨尺度效应修正方法的问题

4．2．3基于CFD方法的螺旋桨全相似数值计算

4．3四桨船内外桨载荷分布不均匀性问题研究

4．3．1研究对象

4．3．2四桨船螺旋桨载荷变化分析方法

4．3．3数值计算工况及基本参数

4．3．4单桨敞水数值计算不确定度分析

4．3．5自航数值计算不确定度分析

4．3．6数值计算结果

4．3．7螺旋桨周围流场划分(尾流区、加速区、减速区)

4．3．8螺旋桨载荷变化及内外桨载荷差线性分解

4．4本章小结

5自融合方法及其在船舶水动力性能优化中的应用

5．1 NUBRS曲线曲面基本理论

5．1．1 B样条曲线

5．1．2 NURBS曲线

5．1．3 NURBS曲面

5．2自融合方法

5．2．1自融合方法流程

5．2．2横剖面选取

5．2．3横剖面的融合

5．3自融合方法应用

5．3．1多岛遗传算法

5．3．2代理模型

5．3．3全船优化

5．3．4局部优化

5．3．5混合优化

5．3．6多目标优化

5．4本章小结

6结论

6．1论文总结

6．2创新点

6．3研究展望

参考文献

攻读博士学位期间发表论文情况

致谢

作者简介