详情

原文传递双桨双舵内河船舶操纵运动建模数值方法研究

论文题名：	双桨双舵内河船舶操纵运动建模数值方法研究
关键词：	内河船舶;双桨双舵;操纵性能;桨舵干扰;数学模型
摘要：	内河船舶作为内河航运的主要载体，其操纵性能与航运的经济性和安全性紧密联系。内河船舶航行过程中的交通流较大，且航行环境较为复杂，面临着有限的航道宽度和水深、频繁的船舶会遇等外部环境因素带来的挑战，对船舶操纵性要求较高。此外，内河船舶多采用双桨双舵配置，桨舵干扰模型较为复杂。因此，对内河船舶操纵性的研究具有重要意义。　　本文对双桨双舵内河船舶的操纵性能开展了研究，采用计算流体力学（CFD）方法分析了螺旋桨和舵的水动力性能，并对桨舵干扰进行了计算，基于计算结果建立了一种面向双桨双舵内河船舶的操纵运动数学模型，并结合一艘内河集装箱船的自由自航模实验进行了验证。本文的主要研究工作如下：　　（1）舵水动力性能数值计算方法研究。以NACA0012舵剖面的网格划分为例，采用多种网格拓扑结构、计算域大小与不同方向上的网格节点分布方式，比较了不同网格划分方案下计算结果的精度，总结了各种网格特征对计算精度的影响进，并从计算效率与精度两方面给出了敞水舵网格划分的推荐设置。计算结果表明，C型与H型结构化网格的计算效率和精度较混合型网格更高，而混合型网格在网格划分中所需的人工干预较少。　　（2）螺旋桨敞水性征的数值计算研究。对KP505螺旋桨的敞水性征进行了研究，通过对不同边界层和湍流模型下计算结果的比较选取了适当的数值方法，并对模拟螺旋桨转动的准稳态MRF方法和瞬态滑移网格方法进行了分析。二者的比较表明瞬态计算可更好地解算螺旋桨尾流场的演化，而准稳态方法可高效地计算螺旋桨推力与转矩系数。　　（3）螺旋桨-舵系统水动力性能的数值计算研究。整合敞水舵和敞水螺旋桨的计算经验，对单桨单舵系统进行了计算，并与实验结果进行了比对。在单桨单舵计算的数值方法的基础上，对本研究中用于实验的64TEU双桨双舵船模的桨舵系统开展了数值计算。计算得到了不同进速系数和攻角下螺旋桨和舵水动力系数的变化，相关流场细节也通过流线及速度场的可视化进行了展示。　　（4）双桨双舵内河船舶操纵运动建模研究。对一艘64TEU双桨双舵内河集装箱船船模开展了自由自航模实验，获得了用于操纵运动模型验证的数据。基于桨舵系统的CFD计算结果，经由回归分析，得到考虑桨舵干扰的舵力模型，结合经过验证的经验方法，建立了一种双桨双舵内河船舶操纵运动数学模型，并通过与实验数据的比较进行了验证。　　本文重点研究了双桨双舵内河船舶的桨舵系统，通过桨舵系统的CFD仿真获取水动力系数，结合经验方法，建立了桨舵水动力性能与船舶操纵运动性能之间的联系，对双桨双舵内河船舶的操纵运动建模数值方法进行了完善，也为船舶桨舵配置的选择提供了一种操纵性视角的评估方法。
作者：	卢苏立
专业：	船舶与海洋工程
导师：	程细得;刘佳仑
授予学位：	硕士
授予学位单位：	武汉理工大学
学位年度：	2022