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原文传递基于重叠网格的船舶六自由度运动数值仿真

论文题名：	基于重叠网格的船舶六自由度运动数值仿真
关键词：	船舶运动;数学模型;黏性流理论;重叠网格
摘要：	航海模拟器属于航海领域和仿真领域的共同产物，对各国的船员培训和海事研究都具有重大的意义，其关键技术之一主要体现在行为真实感方面，其行为真实感主要是通过船舶运动数学模型所确定。目前航海模拟器中船舶六自由度运动模型是以势流理论为主，但是势流理论是在忽略流体黏性的假定条件下进行的，所以最终结果将与试验结果相差较大。为进一步提高航海模拟器中的行为真实感，本文采用商业软件，以粘性流理论为基础，通过重叠网格技术研究船舶运动内在机理与外在姿态。并通过CFD法建立航海模拟器中基于黏性流理论的的船舶运动数学模型。基于此本文主要研究内容如下所示：　　（1）基于重叠网格法的无桨带舵的船体阻力、螺旋桨敞水性能以及三维波浪数值水池的研究。对静水工况中的无桨带舵的船模的阻力进行了数值模拟，并对自由波面、船体周围波形等高线、船体在Fr=0.26航速下的边界层分布情况以及在该航速下的船体局部处流线的分布情况以及船体表面静压力与动压力的分布情况进行了详细的探讨，为后期加入螺旋桨的水动力性能变化机理的分析打下基础；进一步，基于MRF法、滑移网格法与重叠网格法对螺旋桨的敞水性能进行了探讨，获得了螺旋桨在不同进速系数J下的螺旋桨推力系数KT、扭矩系数KQ以及敞水效率η0；最后建立了三维波浪水池，对规则波与不规则波进行了数值模拟，基于不同波长和不同波速工况下规则波的生成，在数值水池中设置确定的波高监测点，获得了波高的时历曲线。进一步，为了数值模拟不规则波，在数值水池中三个波高监测点，分别监测其波高时历曲线。为后面研究船舶在波浪中的运动奠定了基础。　　本文选用KCS船模进行阻力预测，得到的数值结果与试验数据相对误差在1.73%以内。同时选用实桨KP505螺旋桨，得到其不同方法下的敞水性能曲线，从曲线中可以看出在进速系数为0.75时，数值结果与试验结果吻合较好。最后数值方法模拟得到的规则波与不规则波与理论结果进行的比较，结果达到了令人满意的一致性。　　（2）基于重叠网格法的单桨单舵的自航推进性能研究。通过对船模阻力与螺旋桨敞水性能的研究，首先对带桨的船模通过MRF法、滑移网格法与重叠网格法分别进行了在不同螺旋桨转速(n=9.5RPS和n=9.7RPS)的数值模拟，获得了船体阻力系数、推力减额、有效伴流分数等多项自航推进因子，分析比较三种方法之间的优缺点，基于数值模拟结果对自航状态下带桨附近的流场进行了分析，探讨了在自航状态下无舵船体伴流对船后桨性能产生影响的机理；然后对带单桨单舵的船模基于重叠网格法在不同螺旋桨转速(n=9.5RPS和n=9.7RPS)下进行了数值模拟，获得了敞水效率、相对旋转效率、推进效率等多项自航推进因子，探讨了自航状态下单桨单舵船体伴流对船后桨性能影响的机理；最后在如上的基础中，加入了波浪条件，探讨了单桨单舵的船模在波浪中自航的垂荡与纵摇运动，为后期在航海模拟器建立基于CFD法的单桨单舵船舶运动数学模型奠定了基础。　　本文选用不带舵的KCS船模采用三种方法进行了静水中的自航，验证了重叠网格技术模拟船舶自航运动是有效可行的，然后对带桨和舵的KCS船模进行了自航运动数值模拟，最后在上述的基础上加入了波浪，验证了带桨和舵的KCS船模在波浪中自航，并与试验数据进行了对比，结果吻合较好。　　（3）基于重叠网格法的实尺度双桨双舵船的操纵水动力性能研究。首先对六自由度的带双舵的实尺度船模进行回转与Z形操纵运动数值模拟，获得六自由度运动下船舶运动状态与姿态的时历曲线。在此基础上对释放六自由度的带双桨双舵的实尺度船模进行了回转运动数值模拟，获得了回转运动轨迹、航速与螺旋桨转速时历曲线、舵角与舵角速率时历曲线、左右螺旋桨推力与扭矩时历曲线以及六自由度运动时历曲线。为后期在航海模拟器建立基于CFD法的双桨双舵船舶运动数学模型奠定了基础。　　本文选用DTMB-5514实尺度船模进行验证，并将得到的数值结果与试验数据进行比对，吻合较好。同时也提出了一种在保证计算精度的条件下节约计算资源的方法，通过编写UDF控制背景域随船舶一起运动。　　（4）基于重叠网格法的船舶耐波性研究。对裸船体进行了迎浪条件下的数值模拟，计算得到了船体的垂荡与纵摇运动时历曲线。基于不同工况下的自由波面的分析，探讨了船舶在波浪中垂荡和纵摇运动的机理；通过对裸船体进行大角度不同浪向下的数值模拟，获得到在大角度浪向下船舶的垂荡与纵摇运动时历曲线，将其进行无量纲化处理并与势流理论结果进行了对比验证。通过对比不同浪向下的船体表面压力的分布分析，对不同浪向下的垂荡纵摇运动机理进行的较为深入的探讨。根据船舶与波浪作用的特点，将其数值模拟的结果(0°、45°、90°、135°和180°)通过内插法获得浪向为0°-360°之间的垂荡与纵摇时历曲线建立离线数据库，通过航海模拟器在对船模进行不同浪向下的模拟时调用该离线数据库，从而有效的将航海模拟器与CFD数值结果相结合，为航海模拟器建立了基于CFD方法的船舶垂荡和纵摇运动数学模型；通过对裸船体模型在规则波中的数值模拟，获得其不同波陡条件下的垂荡与纵摇幅值响应算子，并与试验结果比较，在吻合较好的前提下，再次加入JONSWAP谱，预测了裸船体在不规则波中的运动，获得了数值水池中不同位置处的波高与船舶的垂荡和纵摇运动时历曲线。　　本文选用Wigley-Ⅲ型船模在迎浪条件下选用不同的湍流模型Realizablek-ε和SSTk-ω进行了数值模拟，得到SSTk-ω与试验结果吻合更好。在此基础上对KVLCC2进行设计航速下垂荡与纵摇运动的数值计算，得到与试验结果吻合较好，并紧接着预测了不同航速与不同波陡条件下船模的垂荡与纵摇运动。其次对大连海事大学校船“育鲲轮”进行了不同角度浪向下的垂荡和纵摇运动数值模拟，与势流结果进行了比较，并将最终的数值结果与航海模拟器相结合。最后验证了DTMB-5512型船模在规则波中的垂荡和纵摇运动，与试验结果整体吻合较好，最后预测了DTMB-5512型船模在不规则波中的垂荡与纵摇运动。　　通过对本文的研究，为航海模拟器建立了基于CFD法的船舶垂荡与纵摇运动数学模型，添加了航海模拟器中基于CFD法的船舶六自由度运动数学模型，并为航海模拟器做学术验证性试验时提供除水池试验结果以外的一种参考指标；同时通过本文建立的单桨单舵和双桨双舵的数值计算模型和方法为船舶稳性安全评估与船舶优化设计提供了可靠的分析方法与研究手段。
作者：	王子平
专业：	交通运输工程
导师：	任俊生
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连海事大学
学位年度：	2021