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原文传递船过船闸时的船舶水动力性能数值研究

论文题名：	船过船闸时的船舶水动力性能数值研究
关键词：	船舶工程;水动力性能;数值模拟;CFD软件;计算流体动力学
摘要：	水路运输在当今全球货物运输中占据了主导地位。对于一些存在水位落差的航道，船闸是用以保证船舶顺利通过的关键水工建筑物。随着船舶建造技术的发展以及货物运输需求的增加，现代船舶出现了大型化的趋势，船舶吃水和宽度日益增加，但是船闸闸室由于环境和经济的因素而很难进行扩建，这样使得船舶尺寸日益接近船闸闸室的尺寸，船舶通过船闸变得更加困难。船闸水域与平常研究的限制水域如狭窄航道等相比有较大的区别：一方面，由于闸室和闸室外航道的宽度是不一样的，这样在船舶进出船闸过程中船舶受力会发生变化，致使发生碰撞和搁浅的可能性很大；另一方面，由于船舶与闸室水底和岸壁的间距非常小，船舶受到的水动力更加复杂和不可预知，这会使得船舶通过船闸时的操纵变得非常困难。另外，对于一些单线船闸，进出船闸的航行船还会受到闸室口旁边等候过闸的停泊船的影响。基于以上几点因素，深入研究船舶进出船闸过程中的船舶水动力学问题对于保证船舶安全地通过船闸具有非常重要的意义，这也是目前全世界船舶水动力学研究领域的前沿热点问题之一。　　近年来随着计算机科学技术的高速发展，大内存和高运行速度的高性能计算机得到了广泛的运用，推动了船舶计算流体动力学（Computational Fluid Dynamics，CFD）技术的进步，大量的CFD应用软件被开发出来，现在已经可以利用这些CFD软件在计算机上模拟复杂的船舶运动粘性流场并计算其水动力。为了研究船舶进出船闸时的水动力性能，本文利用通用CFD软件FLUENT并结合UDF（用户自定义函数）功能进行二次开发，通过求解雷诺平均N-S方程（RANS方程），对船进出船闸过程中的船舶粘性绕流场进行了数值模拟，并计算了整个过程中作用在船体上的水动力。基于RANS方程的求解来计算船舶粘性水动力，关键是要采用合适的湍流模式和高质量的计算网格。本文采用了适合于数值模拟限制水域中船舶粘性绕流场的RNG k??湍流模型；同时，采用了结构化网格和非结构化网格相结合的混合型网格，并对计算网格进行了网格依赖性分析，综合考虑不同网格的计算效率和模拟船舶粘性绕流场的精度，确定了最适合模拟船舶进出船闸时粘性流场的计算网格。在此基础上，通过UDF定义船舶的运动轨迹，采用软件中的铺层（Layering）动网格方法并运用滑移交界面技术模拟船舶进出闸室的运动，计算出每一个时间步作用在船体上的水动力，最终得到了船舶进出船闸整个运动过程中作用在船体上的水动力和力矩的时历曲线。　　本文利用CFD软件FLUENT，对以下几种情况下船舶粘性流场进行了数值模拟并计算得到船舶水动力：　　（1）船过船闸数值计算方法的验证。根据比利时根特大学和弗兰德水力学研究中心公布的基准模型试验数据，以12000 TEU集装箱船和某型散货船为研究对象，计算中计算区域的设置与模型试验一致，在进行网格依赖性分析后，数值模拟了12000 TEU集装箱船进出第三组巴拿马船闸和某型散货船进入比利时泽布吕赫港Pierre Vandamme船闸的工况，计算得到了整个过程中的船舶水动力和力矩的时历曲线，并与模型试验结果进行了比较，验证了本文采用的数值计算方法的有效性。　　（2）船舶通过船闸水动力影响因素的数值研究。以12000 TEU集装箱船为研究对象，数值模拟12000 TEU集装箱船进出第三组巴拿马船闸时的粘性流场。计算得到了不同航速、水深和偏心距条件下船舶进出第三组巴拿马船闸时的船舶水动力时历曲线，发现了航速、水深和偏心距对船舶进出船闸时所受粘性水动力和力矩的影响规律；还计算得到了船舶从湖一侧和从海一侧进出船闸时船舶水动力时历曲线，比较了两种航行方式下船舶水动力的差别；随后计算得到了不同引墙形状、引墙夹角和闸室水底高度差条件下船舶进出第三组巴拿马船闸时的船舶水动力时历曲线，发现了引墙结构对称性、引墙夹角和闸室水底高度差对船舶进出船闸时所受粘性水动力和力矩的影响规律，研究结果可以为船闸结构形状的设计提供指导。　　（3）极浅水条件下船舶通过船闸的水动力数值研究。以某型散货船为研究对象，数值模拟了其在极浅水条件下（水深吃水比h/T小于1.2）进入比利时泽布吕赫港Pierre Vandamme船闸的情况，计算得到了不同航速、偏心距和水深条件下船舶水动力的时历曲线。通过对计算结果进行分析研究，发现了在极浅水条件下船舶水动力受航速、偏心距和水深影响的变化规律。　　（4）停泊船对船舶通过船闸时水动力影响的数值研究。以某型散货船为研究对象，对受闸室口等候过闸的停泊船的影响下的船舶进出比利时泽布吕赫港Pierre Vandamme船闸时的粘性流场进行了数值模拟，并预报了船舶进出船闸过程中作用在航行船和停泊船上的水动力时历曲线，比较了船-船、船-船闸相互作用水动力的大小。通过计算和比较不同航速、水深、船-船横向间距和停泊船纵向位置下作用在航行船和停泊船上的水动力，给出了航速、水深、船-船横向间距和停泊船纵向位置对作用在航行船和停泊船上水动力的影响规律。　　（5）航行船与停泊船水动力相互作用数值研究。前文研究发现船舶通过单线船闸时与等候过闸的停泊船的水动力相互作用基本上不受闸室结构的影响，因此过闸船舶与等候过闸的停泊船之间的水动力相互作用可以看作浅水中航行船与停泊船的相互作用。本文专门对航行船与停泊船相互作用的三维非定常粘性流场进行了数值分析，计算了停泊船上受到的水动力，通过将计算结果与经验公式预报值和实验结果进行对比，验证了本文采用的数值计算方法的有效性。最后，计算了不同水深、船-船横向间距、停泊船离岸距离和航行船离岸距离以及不同岸壁形状条件下停泊船上受到的水动力，并对计算结果进行了分析，得出了以上几种因素对停泊船受到的水动力作用的影响规律。　　本文采用动网格技术并选取RNG k-ε湍流模型，通过求解非定常RANS方程，对各种因素影响下船舶通过船闸过程中的粘性流场及水动力和航行船与停泊船水动力之间的水动力相互作用进行了数值研究，计算得到了整个运动过程中船舶水动力和力矩随航行船位置的变化曲线，发现了不同因素对船舶水动力的影响规律。本文的数值方法能够比较准确地预报船舶通过船闸时作用于船体上的水动力，揭示船舶水动力随船速、水深、偏心距、船闸结构形状和停泊船位置等因素的变化规律，这对于研究船闸水域内船舶安全通航有着重要的意义，也能够为船闸设计提供一定的指导。
作者：	王宏志
专业：	船舶与海洋工程
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