限制水域中船舶侧推器水动力数值计算研究

摘要

近几年，我国为实现建设海洋强国，开发海洋资源的战略目标，不仅加速了海洋工程装备的开发研究，深海石油勘探开采的力度，也兴起了南海岛礁吹填扩建的热潮。在南海岛礁充填建设中，作为施工建设的主要力量，众多动力推进技术先进的工程类船舶，均装备有艏艉侧推器，在泻湖、礁盘附近等此类限制水域下较传统船舶操纵性能相对优异。由于在狭窄的航道、码头附近等限制水域的航行会受到浅水效应与岸壁效应的作用，船舶受力情况会产生较大的变化，此时艏艉侧推器的开启能够提供比传统舵设备更加优异的航向调节能力，但受到船身伴流、水域条件以及航速的影响，艏艉侧推器射流相比低航速，无限制水域下有较大变化，侧推器的推力性能与使用说明书中的理想参数也会有较大出入。　　本文首先介绍了国内外对侧推器性能，限制水域船舶操纵CFD计算研究进展。采用基于粘性流理论的通用软件平台，通过划分整船结构化网格，利用两相流模型，计算54m海洋工程船舶粘性绕流场与阻力;并利用有广泛可靠试验数据的KP505型螺旋桨，进行敝水数值模拟验证，通过对水池试验结果的比对，验证网格方法与数值求解方法的有效性。　　并进一步通过船体资料图纸，进行全船与艏艉侧推器几何建模，采用四面体、六面体网格共同构成的混合网格形式，构建全船包括艏艉侧推器在内的整体模型，在无限制水域下，计及船身流场干扰，分别模拟艏侧推器、艉侧推器单独开启时，研究螺旋桨转速与船舶航速对其推力性能的影响的变化规律。　　最后通过对浅水近岸工况的限制水域构建，对船舶在不同航速下近岸航行时受岸壁效应产生的横向力、回转力矩进行计算，研究艏艉侧推器开启策略，分析侧推器接近失效的航速范围。计算侧推器开启后船舶受力情况，对比限制水域与无限制水域中的侧推器的推力性能，为船舶的安全操纵提供有益参考。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究进展

1．2．1 船舶侧推器研究进展

1．2．2 限制水域船舶操纵CFD计算研究进展

1．3 本文研究内容与创新

第二章 数值模拟理论与数学模型

2．1 粘性流理论与数值方法

2．1．1 引言

2．1．2 控制方程

2．1．3 湍流模型

2．1．4 离散方法

2．2 区域运动模型

2．2．1 MRF模型

2．2．2 SMM模型

2．3 侧推器与船舶水动力特征

2．3．1 普通螺旋桨性能

2．3．2 侧推器推进效率

第三章 船、桨水动力性能研究

3．1 引言

3．2 海洋工程船阻力性能计算与预报

3．2．1 海洋工程船几何模型

3．2．2 计算域与网格划分

3．2．3 边界条件与求解参数设置

3．2．4 数值模拟结果分析

3．3 KP505型桨性能计算与预报

3．3．1 KP505桨计算模型与网格

3．3．2 边界条件及求解参数设置

3．3．3 数值计算结果

3．4 本章小结

第四章 宽阔水域中艏艉侧推器水动力性能计算

4．1 引言

4．2 问题描述

4．2．1 研究对象

4．2．2 工况与计算域

4．3 网格划分及边界条件

4．3．1 网格划分

4．3．2 边界条件与求解参数设置

4．4 数值计算结果

4．4．1 转速对艏、艉侧推器性能的影响

4．4．2 航速对艏、艉侧推器性能的影响

4．5 本章小结

第五章 限制水域中艏艉侧推器水动力计算

5．1 引言

5．2 问题描述与参数设置

5．2．1 岸壁工况与网格划分

5．2．2 边界条件与求解参数设置

5．3 数值计算结果

5．3．1 侧推器关闭时船舶水动力计算

5．3．2 侧推器开启后船舶与侧推器水动力计算

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文及研究成果