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原文传递基于船舶能效和恶劣海况航行安全的快速性研究

论文题名：	基于船舶能效和恶劣海况航行安全的快速性研究
关键词：	Aframax油船;航行安全;船舶能效;恶劣海况;船舶能效设计指数
摘要：	针对碳减排的船舶能效设计指数（EnergyEfficiencyDesignIndex，简称EEDI）要求的强制实施，以及出于航行安全考虑而出台的船舶主机最小推进功率规定，对船舶方案设计阶段快速性性能预报的效率和精度提出了更高的要求。围绕船舶快速性的船型优化在船舶产品开发中的重要性也日益凸显。在此背景下，本文对船舶快速性以及与快速性相关的航行安全问题的预报技术开展了研究。采用数值仿真技术、物理模型试验技术预报了船舶在静水和波浪中的航行性能，并通过实船试航监测数据对预报准确性开展了验证研究，为工程界应对EEDI碳减排要求以及IMO正在酝酿实施的更严格碳减排法规时所面临的具体工程问题提供了解决途径，为形成工程界普遍认可的计算方法或行业标准提供了技术储备。　　在静水条件下船舶快速性研究方面，本文建立了螺旋桨敞水性能、船舶阻力和自航等问题的数值模拟技术，完成了某新建11万吨级油船（Aframax油船）静水快速性数值模拟计算预报;开展了该船静水中的物理模型试验，采集了该船实际航行监测数据，将上述三种结果进行了对比分析;在此基础上，开展了Aframax油船的尾部型线改进，分析了不同改型方案的船—桨耦合性能。在波浪条件下船舶快速性研究方面，针对目前业界关注的最小推进功率和风浪失速问题，开展了波浪增阻计算方法研究，分析了波浪增阻的计算误差对风浪失速和最小推进功率的影响;研究了随机海况下船舶自航数值模拟方法，通过物理模型试验验证了方法的准确性。本文主要工作归纳如下: 　　(1)研阅IMO国际海事组织相关资料文件，系统梳理了船舶能效设计指数(EEDI)的发展历程和计算方法，调研船舶在实际营运海况中快速性预报技术的研究进展，剖析了工程界所面临的具体问题。　　(2)结合船舶快速性问题的特点，研究了船模静水试验方法、规则波条件下预报波浪增阻的试验方法、非规则波中船舶自航的模型试验方法、以及试验数据分析方法和功率预报方法。此外，基于CFD数值模拟平台和算法，研究了流场基本控制方程组和边界条件的选取原则，并就快速性数值模拟的关键问题，如流场粘性、自由液面、动边界、规则波和非规则波模拟等问题，及其相应的数值模拟方法，如CFD数值方法中的湍流模型、流体体积函数法、动网格技术、数值造（消）波技术进行了详细的研究和阐述。　　(3)建立了典型船舶模型的螺旋桨敞水性能、船舶阻力和静水自航的工程化数值模拟和评估方法，对数值模拟结果、物理模型试验结果、实船试航数据开展了对比分析。在上述研究的基础上，对Aframax油船开展尾部型线变换，进行船-桨一体化分析和方案优选。　　(4)针对EEDI计算中风浪中航行失速系数的确定和恶劣海况航行中最小推进功率的计算，开展了船舶波浪增阻计算方法研究。首先，开展了网格有效性分析，建立了兼顾计算效率和精度的波浪增阻网格划分方法，计算了典型航速和波长的船舶波浪增阻传递函数，采用谱分析方法预报船舶在特定随机海况中的波浪增阻;然后，开展了波浪增阻物理模型试验，对波浪增阻数值分析结果与模型试验结果开展对比分析;研究了基于波浪增阻的船舶风浪失速系数和最小推进功率计算方法，结果表明本文提出的波浪增阻计算方法用于风浪失速系数和最小推进功率预报时具有足够的工程精度。　　(5)目前国内外对于非规则波浪自航模拟的研究成果较少，针对实际营运的Aframax油船模型，本文建立了随机非规则海况中船舶自航数值模拟技术。采用联合运动模式来处理船舶在波浪中的六自由度运动以及螺旋桨相对于船体的叠加旋转，详细地讨论了背景域、船体域和螺旋桨旋转域等区域以及交界面的网格划分方法。此外，还对比分析了采用滑移网格方法与重叠网格方法模拟螺旋桨运动在计算精度和效率上的差别，给出了工程应用建议。
作者：	彭贵胜
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	黄一
授予学位：	博士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2021