限制水域操縱運(yùn)動(dòng)船舶粘性流場及水動(dòng)力數(shù)值研究.pdf

1、船舶操縱性是船舶重要的水動(dòng)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(yán)重；特別是由于船舶的大型化,以前顯得寬闊的水域,如近岸、入海口、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(dòng)力和力矩更加復(fù)雜,從而使船舶操縱變得更加困難。正因?yàn)槿绱?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(dòng)力學(xué)領(lǐng)域的前沿?zé)狳c(diǎn)課題。
　　 最近十多年來,隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,計(jì)算機(jī)的容量和速度得到了極大提高,為船舶計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(Computational Fluid Dynamics,CFD)技術(shù)的發(fā)展和實(shí)用化提

3、供了必要的硬件條件,也使得計(jì)算復(fù)雜的船舶操縱運(yùn)動(dòng)流場和水動(dòng)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(jìn)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(yùn)動(dòng)粘性繞流場進(jìn)行數(shù)值模擬,并計(jì)算作用于船體上的操縱水動(dòng)力。在采用RANS方法計(jì)算操縱運(yùn)動(dòng)船舶水動(dòng)力的過程中,合適的湍流模型和高質(zhì)量的計(jì)算網(wǎng)格是成功進(jìn)行數(shù)值模擬的關(guān)鍵。本文對目前在船舶粘性水動(dòng)力計(jì)算中應(yīng)用最廣泛的5種

4、兩方程湍流模型進(jìn)行比較研究,通過其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值的比較驗(yàn)證,確定了適合于限制水域中操縱運(yùn)動(dòng)船舶粘性繞流數(shù)值模擬的湍流模型。同時(shí),對計(jì)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(jìn)行網(wǎng)格劃分,并以這3類網(wǎng)格進(jìn)行船舶操縱水動(dòng)力的計(jì)算,通過與試驗(yàn)值的比較,分析了不同網(wǎng)格類型在船舶操縱運(yùn)動(dòng)粘性流求解中的模擬精度。綜合考慮目前的計(jì)算效率與網(wǎng)格生成耗費(fèi)的時(shí)間,本文通過數(shù)值實(shí)驗(yàn),確認(rèn)在限制水域?qū)嶋H船型操縱運(yùn)動(dòng)粘性流計(jì)算中,帶近壁面層

5、的混合網(wǎng)格是一種實(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng),通過求解RANS方程,對其粘性流場和水動(dòng)力進(jìn)行了數(shù)值研究:
　　 (1)淺水域船舶斜航運(yùn)動(dòng)的粘性繞流場及水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算研究。以KVLCC2大型油輪為研究對象,首先對船舶深水斜航運(yùn)動(dòng)粘性流計(jì)算中計(jì)算區(qū)域的確定、網(wǎng)格依賴性的檢驗(yàn)以及湍流模型

6、的選取等問題進(jìn)行研究,通過將本文數(shù)值計(jì)算結(jié)果與他人的試驗(yàn)結(jié)果和在上海交通大學(xué)拖曳水池進(jìn)行的船模斜拖試驗(yàn)結(jié)果相比較,驗(yàn)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(shí)所受的阻力、橫向力和轉(zhuǎn)首力矩進(jìn)行預(yù)報(bào),并分析了水深和漂角對斜航運(yùn)動(dòng)船舶水動(dòng)力的影響。
　　 (2)淺水域船舶回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的粘性繞流場及水動(dòng)力數(shù)值計(jì)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(yùn)動(dòng)繞流場進(jìn)行數(shù)值模擬。首先對深水情況下船模的定?；剞D(zhuǎn)進(jìn)行了計(jì)算,并與試驗(yàn)值進(jìn)行比較,驗(yàn)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(dòng)力進(jìn)行計(jì)算,得到了水深對回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)船舶所受的粘性水動(dòng)力及力矩的影響。
　　 (3)近岸航行船舶的粘性繞流場及水動(dòng)力數(shù)值計(jì)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(jì)算域網(wǎng)格劃分進(jìn)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(shí)的粘性流場和水動(dòng)力進(jìn)行了計(jì)算研究。通過對計(jì)算結(jié)果的分析,得出了近岸航行船舶所受的水動(dòng)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?？窟\(yùn)動(dòng)粘性繞流場及水動(dòng)力數(shù)值計(jì)算研究。通過求解非定常RANS方程,對船舶非定常橫向?？窟\(yùn)動(dòng)的瞬時(shí)流場進(jìn)行數(shù)值模擬,并預(yù)報(bào)在?？窟^程中作用于船體上的粘

9、性水動(dòng)力隨時(shí)間的變化情況。首先,以標(biāo)準(zhǔn)Wigley數(shù)學(xué)船型為例,對船舶非定常橫向停靠運(yùn)動(dòng)瞬態(tài)問題數(shù)值模擬的關(guān)鍵技術(shù),包括時(shí)間步長、壓力-速度耦合算法以及適用于船舶橫向運(yùn)動(dòng)的湍流模型進(jìn)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停靠運(yùn)動(dòng)所受的橫向水動(dòng)力計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)值進(jìn)行了比較,驗(yàn)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(shí)際船舶的非定常橫向?？窟\(yùn)動(dòng)的粘性繞流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,并對作用于船體上的縱向和

10、橫向水動(dòng)力以及轉(zhuǎn)首力矩的時(shí)歷變化情況進(jìn)行了預(yù)報(bào)。
　　 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(yùn)動(dòng)粘性繞流場進(jìn)行了數(shù)值模擬,捕捉到了操縱運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)船舶在限制水域中所受水動(dòng)力的變化機(jī)理。本文數(shù)值方法能較準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)作用于限制水域操縱運(yùn)動(dòng)船體上的粘性水動(dòng)力,揭示操縱運(yùn)動(dòng)水動(dòng)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(yùn)動(dòng)水動(dòng)力的時(shí)