限制水域操縱運動船舶粘性流場及水動力數(shù)值研究.pdf

1、船舶操縱性是船舶重要的水動力性能之一,和船舶的航行安全性密切相關(guān)。近二十年來,隨著現(xiàn)代船舶向高速化、大型化、專業(yè)化方向發(fā)展,船舶操縱變得更加困難,發(fā)生海難事故造成的后果更為嚴重；特別是由于船舶的大型化,以前顯得寬闊的水域,如近岸、入?？?、港灣和內(nèi)河航道等船舶航行的水域,隨著船舶吃水、船寬尺度的增加,水深相對變淺,寬度相對變窄,成為所謂的限制水域。相對于無限水域的航行環(huán)境,一方面,船舶面臨著更多的障礙物,致使發(fā)生碰撞、觸礁、擱淺的可能性大

2、大增加,從而對船舶操縱性有著更高的要求；另一方面,由于淺底、岸壁及其它障礙物的存在而使船舶受到的水動力和力矩更加復(fù)雜,從而使船舶操縱變得更加困難。正因為如此,限制水域中船舶操縱性研究已變得非常迫切,成為當(dāng)前船舶水動力學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c課題。
　　 最近十多年來,隨著計算機科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,計算機的容量和速度得到了極大提高,為船舶計算流體動力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)技術(shù)的發(fā)展和實用化提

3、供了必要的硬件條件,也使得計算復(fù)雜的船舶操縱運動流場和水動力成為可能。本文基于CFD通用軟件FLUENT平臺并利用其UDF(用戶自定義函數(shù))功能進行二次開發(fā),通過求解雷諾平均N-S方程(簡稱RANS方程)對限制水域中船舶操縱運動粘性繞流場進行數(shù)值模擬,并計算作用于船體上的操縱水動力。在采用RANS方法計算操縱運動船舶水動力的過程中,合適的湍流模型和高質(zhì)量的計算網(wǎng)格是成功進行數(shù)值模擬的關(guān)鍵。本文對目前在船舶粘性水動力計算中應(yīng)用最廣泛的5種

4、兩方程湍流模型進行比較研究,通過其計算結(jié)果與試驗值的比較驗證,確定了適合于限制水域中操縱運動船舶粘性繞流數(shù)值模擬的湍流模型。同時,對計算區(qū)域分別采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格、非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和帶近壁面層的混合網(wǎng)格進行網(wǎng)格劃分,并以這3類網(wǎng)格進行船舶操縱水動力的計算,通過與試驗值的比較,分析了不同網(wǎng)格類型在船舶操縱運動粘性流求解中的模擬精度。綜合考慮目前的計算效率與網(wǎng)格生成耗費的時間,本文通過數(shù)值實驗,確認在限制水域?qū)嶋H船型操縱運動粘性流計算中,帶近壁面層

5、的混合網(wǎng)格是一種實用性和可靠性俱優(yōu)的網(wǎng)格類型。對于不同幾何形狀的實際船型,本文給出了一些便捷有效的高質(zhì)量近壁面層混合網(wǎng)格劃分的建議。
　　 本文針對如下幾種典型的限制水域中的船舶操縱運動,通過求解RANS方程,對其粘性流場和水動力進行了數(shù)值研究:
　　 (1)淺水域船舶斜航運動的粘性繞流場及水動力數(shù)值計算研究。以KVLCC2大型油輪為研究對象,首先對船舶深水斜航運動粘性流計算中計算區(qū)域的確定、網(wǎng)格依賴性的檢驗以及湍流模型

6、的選取等問題進行研究,通過將本文數(shù)值計算結(jié)果與他人的試驗結(jié)果和在上海交通大學(xué)拖曳水池進行的船模斜拖試驗結(jié)果相比較,驗證了本文數(shù)值方法的有效性。在此基礎(chǔ)上,采用本文的數(shù)值方法對不同水深情況下船舶以不同漂角斜航時所受的阻力、橫向力和轉(zhuǎn)首力矩進行預(yù)報,并分析了水深和漂角對斜航運動船舶水動力的影響。
　　 (2)淺水域船舶回轉(zhuǎn)運動的粘性繞流場及水動力數(shù)值計算研究。以大阪號油輪(Esso Osaka tanker)為研究對象,通過求解旋轉(zhuǎn)

7、坐標(biāo)系中的控制方程,對船舶在不同水深情況下的回轉(zhuǎn)運動繞流場進行數(shù)值模擬。首先對深水情況下船模的定常回轉(zhuǎn)進行了計算,并與試驗值進行比較,驗證了本文數(shù)值方法的有效性；然后對船模在7種不同的水深情況下的粘性流場和水動力進行計算,得到了水深對回轉(zhuǎn)運動船舶所受的粘性水動力及力矩的影響。
　　 (3)近岸航行船舶的粘性繞流場及水動力數(shù)值計算研究。以系列60(Cb=0.6)船型為研究對象,首先對系列60這一類船體首尾部尖度、中間底部平坦的船型

8、的計算域網(wǎng)格劃分進行了探討,提出了一種有效的高質(zhì)量近壁面層網(wǎng)格生成方法；然后對系列60船模在不同的水深情況下以不同的離岸距離近岸航行時的粘性流場和水動力進行了計算研究。通過對計算結(jié)果的分析,得出了近岸航行船舶所受的水動力隨岸壁距離和水深的變化規(guī)律。
　　 (4)淺水域船舶非定常橫向停靠運動粘性繞流場及水動力數(shù)值計算研究。通過求解非定常RANS方程,對船舶非定常橫向停靠運動的瞬時流場進行數(shù)值模擬,并預(yù)報在?？窟^程中作用于船體上的粘

9、性水動力隨時間的變化情況。首先,以標(biāo)準(zhǔn)Wigley數(shù)學(xué)船型為例,對船舶非定常橫向?？窟\動瞬態(tài)問題數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù),包括時間步長、壓力-速度耦合算法以及適用于船舶橫向運動的湍流模型進行了研究,并將標(biāo)準(zhǔn)Wigley模型在不同水深情況下作非定常橫向?？窟\動所受的橫向水動力計算結(jié)果與試驗值進行了比較,驗證了本文數(shù)值方法的有效性。然后,以KVL2C2大型油輪為例,對實際船舶的非定常橫向?？窟\動的粘性繞流場進行了數(shù)值模擬,并對作用于船體上的縱向和

10、橫向水動力以及轉(zhuǎn)首力矩的時歷變化情況進行了預(yù)報。
　　 本文采用基于RANS方程求解的粘性流數(shù)值方法對多種限制水域中的船舶操縱運動粘性繞流場進行了數(shù)值模擬,捕捉到了操縱運動船舶周圍的流場特征,通過觀察和分析這些流場信息,人們可以深入理解操縱運動船舶在限制水域中所受水動力的變化機理。本文數(shù)值方法能較準(zhǔn)確地預(yù)報作用于限制水域操縱運動船體上的粘性水動力,揭示操縱運動水動力隨水深、岸壁距離等因素的變化規(guī)律以及船舶非定常操縱運動水動力的時