基于面元法的船舶減阻研究.pdf

1、隨著近年來國際海事組織(IMO)針對船舶節(jié)能減排提出了一系列新標(biāo)準(zhǔn)和新規(guī)則,世界各國都掀起了一場綠色船舶的革命。阻力性能是船舶節(jié)能關(guān)心的首要問題,船舶阻力由粘性阻力和興波阻力構(gòu)成。其中,對于給定的船速,粘性阻力與船舶濕表面積成正比。一般來講,濕表面積隨船型改變和縱傾浮態(tài)調(diào)整變化不大。相反,在一定的Froude數(shù)范圍內(nèi),興波阻力對船型、縱傾狀態(tài)、船舶局部型線(如球首等)的變化相當(dāng)敏感,對上述因素進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整,有可能得到較優(yōu)的船舶興波阻力性

2、能。因此,本文試圖通過基于興波阻力的船型優(yōu)化、船舶航行縱傾調(diào)整和給定壓力分布形式物面設(shè)計(jì)研究,為船舶減阻節(jié)能的發(fā)展提供一些新的思路。
　　本文第一部分研究工作中針對長期以來三維繞流問題面元節(jié)點(diǎn)速度勢計(jì)算誤差較大的問題,考慮節(jié)點(diǎn)立體角,引入系數(shù)δ來分析該問題。通過對圓球表面考慮立體角前后節(jié)點(diǎn)速度勢與解析解的比較,說明了系數(shù)δ在三維節(jié)點(diǎn)速度勢求解中的重要作用。
　　本文第二部分研究工作是采用一種二次雙曲線表達(dá)母型船,并通過數(shù)學(xué)推

3、導(dǎo)證明縱剖線和水線的光順性,在此基礎(chǔ)上采用Michell積分進(jìn)行興波阻力計(jì)算。適當(dāng)調(diào)整船型橫剖面面積曲線,重新生成船型表達(dá),通過反復(fù)計(jì)算來實(shí)現(xiàn)船型優(yōu)化。隨后對去球鼻艏的DTMB5415船型進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化,得到了特定速度范圍內(nèi)較優(yōu)的船型方案。對母型和優(yōu)化方案的模型阻力試驗(yàn)研究結(jié)果表明,通過對數(shù)學(xué)船型的橫剖面進(jìn)行局部優(yōu)化,就能夠使當(dāng)前船型的中高速段興波阻力性能得到明顯提高。
　　本文的第三部分研究工作是以減小興波阻力為目標(biāo)的縱傾預(yù)報(bào)。與

4、其他減阻方式不同,縱傾調(diào)整只需調(diào)整船舶首尾吃水差來實(shí)現(xiàn)減阻節(jié)能效果。從船舶興波阻力入手,考慮不同縱傾狀態(tài)船舶的興波阻力變化,并給出船舶航行中興波阻力較優(yōu)的縱傾狀態(tài)。以Rankine源為格林函數(shù)基本解,分別采用Dawson方法和直接面元法對不同縱傾下的船舶興波阻力進(jìn)行計(jì)算,通過分析船長方向波高分布曲線、波形圖和興波阻力變化曲線,給出船舶的較優(yōu)縱傾。最后,針對Dawson方法給出的某船型縱傾調(diào)整方案,進(jìn)行了模型阻力試驗(yàn),并通過三因次換算給出

5、了興波阻力系數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明,Dawson方法和直接面元法能夠?qū)崿F(xiàn)以減小興波阻力為目標(biāo)的船舶航行縱傾預(yù)報(bào),通過兩種方法給出的較優(yōu)縱傾方案在實(shí)際中也具有較佳的興波阻力性能。
　　本文第四部分研究工作是給定壓力分布形式的物面設(shè)計(jì)。興波阻力是通過沿物面的壓力分布進(jìn)行積分求解,當(dāng)興波阻力不滿足要求時(shí),對物面壓力進(jìn)行調(diào)整,然后設(shè)計(jì)出滿足目標(biāo)壓力分布形式的物面形狀,這就是船舶水動力研究中逆問題。采用直接面元法和模型修正函數(shù),在初始物面上,加載