详情

原文传递水面舰船航行性能CFD预报研究

论文题名：	水面舰船航行性能CFD预报研究
关键词：	水面舰船;操纵性;耐波性;数值预报;计算流体动力学
摘要：	利用CFD预报水面舰船航行性能，能够在设计阶段对多种船型设计方案、附体布置方案和推进器设计的水动力性能进行预报和评估，实现基于仿真的船型设计技术，降低新船型的开发成本和周期。本论文采用自研CFD软件，开展了基于粘性流集成六自由度运动和结构化的动态重叠网格技术的水面舰船航行性能预报技术的研究，以国际标准船舶模型DTMB5415系列和KCS模型为研究对象，建立了水面舰船快速性、操纵性和耐波性数值分析模型，对DTMB5415系列和KCS模型的阻力、推进、自由自航、回转运动、Z型运动和波浪上的运动特性进行了分析研究，对数值预报结果的不确定性进行了分析、考核和验证。同时针对典型的航行工况，开展水池试验研究，并将数值预报分析与相关试验测试结果进行了对比。　　（1）以标准船模5415系列为研究对象，基于粘性流集成六自由度运动模块和结构化重叠网格技术，开展典型水面舰船自航模型流场、水动力性能的CFD预报和分析研究，对仿真分析结果的不确定性进行分析。通过对船表压力分布、伴流场信息、自由液面波形以及涡量场演化过程等流场细节计算结果进行分析，开展水面舰船自航模型流场、水动力性能预报精度分析和试验验证，对相关试验结果进行不确定度分析，并与仿真结果进行分析对比。以标准船模KCS为研究，基于不同推进器模块完成KCS的自由自航数值仿真，对比试验和自研求解器的离散桨推进器模块。通过螺旋桨自航状态转速，螺旋桨流场特征，船体自由液面波形等流场细节的对比，验证改进体积力方法的准确度和可靠性。　　（2）以标准船模5415系列的自由自航数值仿真为基础，基于重叠网格技术和PID控制技术，开展了静水中5415M自由自航的回转运动和和Z形操纵运动的数值模拟，并与试验数据进行对比与分析。　　（3）利用自研CFD软件，开展了粘性流数值造波方法的研究。对数值造波的不确定性进行了分析，通过与理论解结果比较和分析，验证了基于自研CFD软件的粘性流数值造波方法的准确性和可靠性，开发和建立了规则波和不规则长峰波的数值波浪试验水池，为开展水面舰船的耐波性数值模拟分析和研究奠定了基础。　　（4）以标准船模5415系列在波浪中的运动为对象，开展了水面舰船自由自航模在波浪中运动特性和波浪中的回转的数值预报研究，对比相关的试验结果，验证了数值模拟结果的精度和准确性。　　（5）以标准船模KCS在规则波中的运动为对象，开展了KCS规则波中的参数横摇数值仿真。分析和研究了数值仿真结果的不确定性，与试验结果进行了对比和分析。研究结果表明，自研CFD软件能够准确地预报水面舰船的参数化横摇事件的发生和运动特性，为未来建立基于粘性的二代稳性预报方法奠定了基础。　　通过开展基于自研CFD软件在水面舰船航行性能领域的数值模拟分析和研究，对自研CFD预报水面舰船的快速性、操纵性和耐波性的建模方法、不确定性和预报精度进行了比较和验证。研究结果表明，自研CFD求解器具有准确预测水面舰船航行性能的功能，为形成水面舰船航行性能综合CFD软件奠定了技术基础。
作者：	何然
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	张志国
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2021