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原文传递大型舰船流场的数值计算

论文题名：	大型舰船流场的数值计算
关键词：	船舶绕流场;阻力性能;水动力性能;滑移网格;气流场
摘要：	近年来,随着经济体系的全球化,国际海运、船舶工业得到了大力的发展,很多国家都在积极投入对船舶设计的研究,其中船舶绕流场的研究也得到了很大的重视,通过提高船舶水动力性能和空气动力性能预报的准确性,来提高设计效率、缩减投入成本。由于船模试验周期长、费用高、难以得到局部流场的细节信息,同时因为尺度效应,特别是大型船舶的风洞实验,船模实际上并不能真实地再现实船的绕流场情况,存在较大的局限性,使得船舶CFD技术成为有效辅助船舶线型设计和船舶绕流场研究、提高船舶工程产品的设计质量、缩短研究周期、减少人力物力的投入的有力工具。　　大型舰船在海洋中航行时要求有良好的稳定性、快速性和安全的甲板气流场特性,分析其水动力性能和空气动力性能就显得尤为重要。本文借助船舶CFD技术主要研究了俄罗斯某大型舰船RCSM船型船尾型线对船舶阻力性能的影响、船体水动力流场和空气动力流场。　　首先,本文为提高母型船阻力性能,以船体阻力性能为优化对象,参考同类船舶船尾,利用Tribon-Lines模块生成两种与母型船相似的带有不同方形尾的方案船型,并通过商用CFX软件对方案船型进行了粘性绕流场数值模拟计算和分析,研究了船尾线型的改变对船舶阻力性能的影响。研究结果表明,在以船体阻力性能为优化对象时,RCSM-Ⅱ船型在相同的航速下阻力低、消耗的功率小、形状效应小、粘压阻力和摩擦阻力也相对较小,这说明RCSM-Ⅱ船型的推进效率较高,尾流场特性较好,其方形尾比较适用于高速船舶。　　然后,文中利用CFD软件对RCSM船型的水动力性能进行了预报和分析。在ICEM里建立二维船体剖面数值水池和三维船体数值水池,并对计算域进行全结构化网格划分。应用滑移网格和动网格技术,在Fluent软件中对计算模型各工况进行船体受迫振荡数值模拟计算,给出了振荡运动的速度矢量分布,以及船体相关方向的受力和力矩的时历曲线,并通过理论公式计算得到船体的附加质量和阻尼系数。计算结果证明了该方法能够很好的用于船舶的水动力性能预报和绕流场的研究分析;同时在模型建立,网格划分(特别是滑移网格和动网格技术),边界条件处理等方面积累了一些经验,为进一步利用CFD方法研究船舶的水动力性能和绕流场打下了良好的基础。　　最后,利用CFD软件模拟了RCSM船型甲板气流场的风洞实验,主要针对舰船在迎风直航以及斜风航行中无横摇和横摇运动两种状态下进行计算分析。文中首先利用CFD软件模拟了船体在无横摇运动情况下迎风直航以及斜风航行中的风洞实验,通过对计算结果可视化处理后得出了关键点速度值、流场压力云图、湍流强度云图、速度矢量图等气流场数据和物理量,并针对关键区域探讨了气流场分布、湍流活跃区域;然后通过CFD动计算域和滑移网格技术计算了舰船产生横摇运动时在迎风直航以及斜风航行中甲板附近气流场的变化,并与无横摇运动状态甲板气流场进行了对比,分析了关键区域气流场分布、湍流活跃区域。计算分析结果显示甲板气流场在船体静态(无摇动)和摇动后的气流场的速度分布是不一样的,特别是在船体角速度最大的平衡位置。当船体发生摇动后,甲板气流场分布将随横摇角θ(t)的变化而发生变化,湍流影响区总体增大、变得不稳定。特别是舰楼后方的气流场将随船体摇动而发生明显的空气尾流场漂移。计算结果为舰船设计和船载飞机设计提供了参考,同时为探讨船舶摇动状态下的气流场计算分析积累了经验。
作者：	王伟
专业：	流体力学
导师：	黄胜
授予学位：	硕士
授予学位单位：	哈尔滨工程大学
学位年度：	2011
正文语种：	中文