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原文传递限制水域中船舶水动力相互作用及安全分析研究

论文题名：	限制水域中船舶水动力相互作用及安全分析研究
关键词：	船舶水动力;限制水域;数值模拟;面元法;RANS方法;非静水压力模型
摘要：	近十年来，船舶尺度继续向大型化发展，港口航道内的船舶密度逐渐上升，但航道尺度的增长速率较慢，这使得航行船舶与航道、其他船舶或港口建筑物之间的间距变小，航行水深相对变浅，船舶在港口航道等限制水域中的水动力相互作用问题变得突出。这些水动力相互作用主要包括船舶与水底之间、船舶与岸壁之间、船舶与其他船舶或港口建筑物之间的水动力相互作用等，可能会严重影响船舶在限制水域中的操纵和作业安全性，导致碰撞、搁浅等交通事故的发生，甚至会造成重大的经济损失、环境污染或人员伤亡。如今，随着人们安全、环保意识的增强，对船舶航行和作业安全的要求日益提高，因此，准确预报船舶在限制水域中与水底、岸壁、其他船舶或港口建筑物之间的水动力相互作用，并据此对船舶航行和作业安全进行分析，有着重要的实际意义和工程应用价值。　　本论文主要针对船舶在限制水域中的三种水动力相互作用开展了研究和分析，一是船舶与水底之间的水动力相互作用，主要是计算和分析船舶在浅水中的船体下蹲；二是带舵船舶与岸壁之间的水动力相互作用，即船-舵系统与岸壁之间的水动力相互作用，主要是研究船-舵系统近岸航行时的岸壁效应和舵的控制作用；三是航行船与停泊船之间的水动力相互作用，主要是计算和分析由航行船引起的作用在停泊船上的水动力。为快速、高效地计算和分析以上三种不同的水动力相互作用，采用了不同的数学模型并选取与之相适应的数值方法进行研究；针对不同的水动力相互作用问题，建立相应的控制方程，对流域或边界划分网格，采用一定的离散格式得到离散方程并对离散方程进行求解，得到速度场和压力场，进而求得作用在船体上的水动力。　　针对浅水中航行船舶的下蹲计算问题，论文首先从深水和浅水中的船体下蹲预报两方面验证了所采用的三维Rankine源面元法；随后，以集装箱船KCS、大型油轮KVLCC2和某散货船三种船型为研究对象，应用该方法计算了船舶在浅水中的船体下蹲，分别研究了航速、水深和船型对船体下蹲的影响。最后，以KCS为研究对象，分析了其下蹲随船-岸距离的变化趋势。　　针对船-舵系统与岸壁之间的水动力相互作用问题，论文首先通过数值研究舵角为零的船-舵系统沿岸航行时的岸壁效应以及数值模拟舵力试验并分析船-舵系统受力，验证了所采用的基于RANS方程求解的CFD方法的有效性；随后，以带舵的KCS为研究对象，应用该方法数值模拟了其沿岸直航时的粘性流场，得到了不同水深、舵角和船-岸距离下船-舵系统周围的流场特征及其所受的水动力。通过对岸壁效应和舵力共同作用下的流场特征进行分析，初步解释了岸壁效应和舵力产生的物理机理。　　针对航行船与停泊船之间的水动力相互作用问题，论文首先采用XBeach开源软件中基于浅水流动方程的非静水压力模型求解了航行船引起的水位下降和回流速度，通过与实验数据和其它经过验证的模型的计算结果相对比，对非静水压力模型进行了初步验证。随后，应用该模型对一大型集装箱船驶经沿岸停泊的巴拿马型集装箱船时的流场进行了数值模拟，考察了航速、船间横向间距、航行船吃水、水深和航行船漂角等可变因素的影响，得到了航行船引起的水位下降、回流速度和作用在停泊船上的水动力；通过将数值结果与试验结果进行对比，证明了该模型预报停泊船所受水动力的正确性。最后，将该模型应用于港口水域相对复杂的工况，研究了主航道与港池的水深差、主航道与港池中心线的夹角、均匀水流以及其他停泊船等因素对航行船与停泊船之间的水动力干扰的影响。　　基于船舶在限制水域中与水底、岸壁或其他船舶之间的水动力相互作用研究结果，定性分析了船舶的航行和作业安全。对于船舶在限制水域中航行时的情况，基于船体下蹲的计算结果，得出了不同水深下使富余水深为零（临界状态）的临界航速，并由此得到船舶发生触底的临界状态曲线。对于船-舵系统沿岸直航的情况，基于不同舵角和船-岸距离下的水动力计算结果，得到了船-舵系统所受水动力为零（临界状态）时所对应的临界舵角和临界船-岸距离，从而得到舵力恰好抵消岸壁效应的临界状态曲线；同时探讨了船-舵系统沿岸斜航时的临界状态曲线的求取方法。对于航行船驶经停泊船的情况，分析了停泊船沿岸停靠工况和相对复杂工况下，作用在停泊船上的最大水动力与航速、船间间距、水深、水流等各种影响因素之间的关系，并阐述了航行船驶经停泊船时停泊船的运动达到允许的极限值的临界状态所对应的临界状态曲线的求取方法。根据各种情况下的临界状态曲线，可以定性分析船舶在限制水域航行、船-舵系统沿岸航行以及停泊船受航行船影响的安全性。　　本论文采用的数值方法可以较为合理地预报船舶与水底、船-舵系统与岸壁以及航行船与停泊船之间的水动力相互作用，为船舶在限制水域中的安全操纵提供一定的理论依据，同时本论文提出的应用船舶水动力相互作用结果定性分析船舶安全性的方法，可以为限制水域船舶驾驶和港口航道设计提供一定的参考。
作者：	周明贵
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	邹早建
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文