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原文传递江海直达船操纵性水动力导数浅水效应研究

论文题名：	江海直达船操纵性水动力导数浅水效应研究
关键词：	江海直达船舶;操纵性能;水动力导数;浅水效应
摘要：	近二十年来，我国船舶行业飞速发展，船舶大型化进程加快，船舶吃水及宽度相应增加。因此相对来说内河上航行船舶的营运环境更为逼仄，较深水域航行船舶的水动力性能大有不同，对船舶操纵性方面的要求则相应提高。而江海直达船是近年来长江航运重点发展的水路运输船型，因此研究江海直达船操纵性能的浅水效应，对于保障船舶在限制水域营运的安全性具有重要意义。　　本文应用商用计算流体力学软件STAR-CCM+，采用重叠网格方法，综合自由面及船舶航行姿态的影响，对不同水深工况下江海直达船舶操纵性运动复杂粘性绕流场进行了数值模拟，并分析了操纵性水动力导数的浅水效应。本文主要内容有：　　（1）论文首先以KVLCC2标准船模为对象，使用STAR-CCM+对深浅水工况下考虑自由面及航态影响的船舶斜航及纯横荡运动绕流场进行了数值模拟。并根据SIMMAN2008试验结果，对数值模拟方法进行了不确定度分析，结果表明论文所采用的数值方法具有一定的可靠性。此外还就两种动网格处理方式在计算效率上进行了对比。　　（2）在前文数值方法有效性得到验证的基础上，针对150TEU江海直达船舶采用重叠网格技术，考虑自由面及航行姿态变化，对不同水深及漂角工况下的斜航运动粘性流场及其水动力性能进行了数值研究，以探讨水深及漂角对船舶水动力性能的影响规律，并得到不同水深时的位置导数。通过对船表压力分布及兴波波形的分析，对斜航运动船舶水动力性能变化规律进行了解释。此外还将双尾鳍的江海直达船与单桨KVLCC2船在同工况下斜航运动数值结果进行了对比。　　（3）以150TEU江海直达船舶为对象，结合重叠网格技术采用SST k-ω湍流模型求解RANS方程，应用VOF方法考虑自由液面影响及采用DFBI模型求解船舶运动姿态。通过数值模拟得到不同水深工况下船舶纯横荡运动所受水动力和力矩的时历曲线，计算得到相应的船舶纯横荡运动线性水动力导数。对比不同水深工况的结果，分析其线性化水动力导数的浅水效应。之后根据数值模拟得到的船体表面压力分布和自由面波形等流场信息，进一步分析相关水动力导数浅水效应规律的成因及机理。　　（4）以150TEU江海直达船舶为对象，综合考虑自由面及航态的影响，应用前文采用的数值方法及动网格方法模拟了船舶在不同水深工况下的纯艏摇运动。分析了水深、角速度幅值及运动频率对纯艏摇水动力性能及相应水动力导数的影响。并结合船舶表面压力分布和兴波分布情况，探究了船舶纯艏摇运动浅水效应的成因和机理，解释了纯艏摇运动船舶水动力性能特点。　　基于论文工作，本文主要的结论及成果有：（1）通过对KVLCC2船舶斜航及纯横荡运动在深浅水工况下船体绕流场进行数模计算的不确定度分析，验证了本文所采用数值方法的有效性。（2）对比两种动网格处理方式的数值结果，得出背景域同时运动的ALE方式可以兼顾计算可靠性和节省时间成本。（3）通过对约束船模运动的数值模拟，当水深吃水比时h/T＜4.0，江海直达船操纵性浅水效应显著。（4）浅水中船体表面低压区面积增加，导致船舶吃水增加，船底离水底距离变小，同时兴波波形不对称性渐渐明显，因此考虑航行姿态和自由液面影响，有利于进一步分析水深对船舶操纵性能的影响。（5）同工况下带双尾鳍的江海直达船与单桨KVLCC2船斜航运动水动力数值结果相比，横向力和艏摇力矩均偏小，且水深较浅时差别更大，而纵向力则是偏大。因此在浅水域航行，江海直达船船体周围流体动力与KVLCC2有所差别。　　论文基于粘性CFD方法，采用重叠网格技术，对计及自由面和船舶运动姿态的船舶操纵运动绕流场进行了数值模拟，分析了操纵性水动力导数的浅水效应，并结合船体表面压力分布及兴波等流场信息，解释了船舶水动力性能的变化规律。在操纵性方面的有关结论对于浅水域航行船舶的设计工作具有一定的借鉴意义。
作者：	方乐
专业：	船舶与海洋工程
导师：	周利兰
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2021