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原文传递限制水域运动船舶复杂粘性流场的数值模拟研究

论文题名：	限制水域运动船舶复杂粘性流场的数值模拟研究
关键词：	限制水域;运动船舶;粘性流场;数值模拟;水动力性能
摘要：	现代船舶建造大型化进程逐渐加快，船舶吃水与船舶宽度日益增加，而航道、港湾及码头等船舶运营必备基础设施尺寸的增长速度却相对缓慢。因此，相对船舶尺寸而言，近海岸及内河航道等水域，水深相对变浅，航道宽度相对变窄，成为限制水域。限制水域中浅水、狭窄航道等因素对船舶周围流场的改变，使得限制水域航行船舶的水动力性能与宽阔水域有很大不同，进而对船舶操纵性提出了更高的要求。因此，研究限制水域船舶的运动规律，预报限制水域船舶运动方式，对于评估限制水域船舶运行的可行性、保障限制水域船舶运行的安全性有重要意义。　　本博士论文基于组内开发的数值求解器，结合重叠网格技术，综合考虑流体粘性及自由面变化，对限制水域运动船舶复杂粘性流场进行了数值研究：　　(1)结合静态重叠网格方法，数值研究了不同水深，不同漂角工况下，KVLCC2M船型斜航运动时的复杂粘性流场及其水动力性能。首先，基于深水域KVLCC2M斜航运动数值试验，对斜航运动船舶水动力性能，船表压力分布及伴流场等信息进行了研究，并将计算结果与试验值进行对比，验证了本文程序及数值方法的有效性及静态重叠网格技术的可靠性。其次，本文研究了水深及漂角对船舶水动力性能的影响，并通过对自由面波形，船表压力分布及伴流场的分析，对斜航运动船舶水动力特点进行了解释。　　(2)结合动态重叠网格方法，对不同水深情况下KVLCC2船型做纯横荡运动时的复杂粘性流场及其水动力性能进行数值仿真，并通过对比数值试验与模型试验结果，对本文程序及数值方法在预报纯横荡运动船舶水动力性能及其粘性流场方面的可靠性进行验证。同时，据计算得到的船体所受水动力曲线和船舶运动曲线，求得了船舶水动力导数。此外，通过对船表压力分布、伴流场信息、自由面波形及涡量场演化过程等流场细节计算结果的分析，进一步阐释了不同水深情况下，纯横荡运动船舶水动力性能的变化规律及水深对纯横荡运动船舶水动力性能的作用机理。　　(3)结合动态重叠网格方法，以12000TEU船型为研究对象，数值研究了船舶通过船闸过程复杂粘性流场演变过程及船舶水动力性能的变化历程。首先，基于试验工况进行数值试验，数值研究了12000TEU船舶驶入第三组巴拿马船闸过程中船舶水动力性能，并将计算结果与试验结果进行对比，验证了本文程序及数值方法在预报过闸船舶水动力性能方面的可靠性。在此基础之上，数值研究了航速、水深及偏心距等因素对12000TEU船舶通过第三组巴拿马船闸时水动力性能的影响，并通过对船过船闸过程中，船表压力分布，自由面波高及伴流场等流场细节的研究，进一步分析了船舶水动力性能特征。其次，以船舶驶入驶出乌江构皮滩升船机为工程背景，数值研究了航速对船舶驶入驶出乌江构皮滩升船机过程粘性流场及水动力性能的影响，并通过对自由面波形演变过程，测波点波高历时，船表压力分布及伴流场信息等计算结果的分析，进一步解释了船过升船机过程水动力性能变化的物理机理，为船舶安全通行及闸室设计提供参考。　　(4)以油轮驳运过程为工程背景，选取KVLCC2及Aframax船型为研究对象，结合重叠网格技术，综合考虑流体粘性及自由面变化，数值模拟了驳运过程中船-船相互作用的复杂粘性流场。首先，基于基准算例数值试验，通过对比计算结果与试验结果，验证了本文程序及数值方法在预报驳运过程中船舶水动力性能方面的可靠性。基于此，本文进一步数值研究了横、纵向距离及水深对驳运船舶水动力性能的影响，并通过对自由面波形，船表压力分布及伴流场速度分布等信息的分析，阐释了驳运船舶水动力性能的特征。　　本文结合重叠网格技术，基于粘性CFD方法，并计及自由面变化，对限制水域运动船舶复杂粘性流场及船舶水动力性能进行了数值仿真，较真实的还原了船舶在限制水域航行时的流场变化，并基于对流场细节的分析，对船舶水动力性能进行了解释。对人们更好的理解限制水域运动船舶水动力性能及其变化机理，具有较好的可借鉴性。
作者：	孟庆杰
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	万德成
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2016
正文语种：	中文