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水线面大开口船型的阻力性能研究

作　者: 石珣
导　师: 谭家华
学　校: 上海交通大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 船舶阻力船体开口船模试验 CFD 自航绞吸挖泥船
分类号: U661.311
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

工程船是水上及水下工程作业的专用船舶。与运输船舶不同,工程船因其工作要求的特殊性,船身往往装有大型特种设备。为了布置和有效使用这些装置,工程船船身常设有大型开槽。这些开槽从甲板贯穿至船底,在水线面处形成大型开口,从而使得工程船的阻力特性较常规运输船舶有很大不同。工程船在发展初期,多为非自航船舶,其应用领域大都为内河或近海。随着海洋工业的高速发展和市场全球化的不断推进,工程船在向大型化、专业化发展的同时,作业区域也变得越来越广阔,因此开始有越来越多的自航工程船被引入市场。另一方面,随着全球能源形势的日益严峻,如何降低能耗、提高效率已成为各领域普遍关心的问题。在这样的背景条件下,对水线面大开口工程船的阻力性能研究开始得到越来越多的关注。以往特殊船型的阻力性能研究通常采用模型试验的方式。而今随着计算机技术的高速发展,CFD(Computational Fluid Dynamics)工具已经越来越广泛地运用于船体设计和试验当中。与传统的模型试验相比,CFD模拟计算费用低,不受接触点和测量精度的限制,在绘制详细流场上具有明显的优势,可以模拟试验水池中难以做到的复杂现象。因此,作为模型试验的有效补充,CFD工具开始在船体性能研究和设计型线优化方面得到越来越多的应用。本文采用模型试验与CFD计算相结合的方式,以典型的水线面大开口船舶大型自航绞吸挖泥船为对象,对水线面大开口船型的阻力性能问题进行了深入研究。研究内容和成果主要包括以下几个方面:1、水线面大开口船舶阻力性能试验研究。以大型自航绞吸挖泥船为研究对象,在上海交通大学船模拖曳水池完成系列模型静水阻力试验,得到相同船舶在常规状态、仅设艏开口状态以及艏艉均开口状态时不同航速下的静水阻力值。并经由试验分析得到水线面大开口对船体阻力的影响,以及不同位置的水线面大开口致使船体总阻力产生的变化。2、水线面大开口船型阻力试验数值模拟计算。运用CFD工具对自航绞吸挖泥船系列模型试验进行数值模拟,分别得到不同模型在不同航速下的静水阻力和自由波面,并从计算结果中发现水线面大开口船舶船体阻力发生改变是由于船体水线面大开口在船舶原有艏艉两个波系的基础上增加了新的压力点,改变了船体兴波,增加了船体的兴波阻力。同时,通过将所得到数值计算结果与试验结果相比较,验证了CFD工具在水线面大开口船型阻力性能研究方面的有效性,为后续研究奠定了基础,也为大开口型工程船阻力性能研究提供了新的方法和思路。3、不同尺寸水线面大开口对船体阻力性能的影响。运用CFD方法对大型自航绞吸挖泥船系列模型的粘性绕流进行数值模拟,计算并得到在不同航速下水线面大开口型船舶船艏开口纵向和横向尺寸变化、船艉开口纵向和横向尺寸变化以及艏艉开口相互作用等不同情况下船体阻力的变化规律。并通过对计算结果的归纳整理发现船艏开口对船体阻力性能的影响要远大于相同尺寸的船艉处开口,且艏艉开口型船舶船艏处开口所引起的阻力增值在船体总阻力增值中占主要部分,因而如何降低船艏开口所造成的阻力增值是改善水线面大开口船型阻力性能的关键。此外,船体艏艉开口所产生的阻力增值可以看作是相互独立的,在工程应用中可以运用简单公式对艏艉开口型船舶的船体总阻力进行估值。4、不同形状船艏开口对船体阻力性能的影响。在不改变自航绞吸挖泥船自身基本工作性能的基础上,以具备纵向尺寸和横向尺寸均确定的、自船甲板贯穿至船底的艏部矩形开槽为基本模型,通过改变艏开口x-y、y-z和z-x截面的形状得到不同的船艏开口型线,并将具有不同形状开口的船体模型进行CFD数值模拟计算,得出不同船艏开口形状对船体阻力性能的影响,从而找出影响船艏开口增阻变化的主要因素,为水线面大开口船舶艏部开口处型线的设计选型和线型优化提供参考。5、对已有水线面大开口船型开口处型线提出优化方案。基于本文的研究成果,对我国首艘超大型自航绞吸挖泥船“天鲸号”的开口处型线提出优化方案,并运用CFD工具对原船及改进后船型的船体静水阻力进行模拟计算,用计算结果证明改进后船型的船体总阻力较原船有明显减小,实船有效功率有明显减少,有效降低了能耗。证实了本文的研究成果在工程应用中的实际意义。

全文目录

摘要  3-6
ABSTRACT  6-13
第一章绪论  13-27
  1.1 引言  13-15
  1.2 典型的水线面大开口船舶——绞吸挖泥船  15-20
  1.3 水线面大开口船型阻力性能的研究现状和研究方法  20-24
    1.3.1 水线面大开口船型阻力性能的研究现状  20
    1.3.2 船体阻力的研究方法  20-24
      1.3.2.1 理论方法  20
      1.3.2.2 试验研究  20-21
      1.3.2.3 数值模拟  21-24
  1.4 本文的主要工作和创新点  24-27
    1.4.1 主要研究内容  24-25
    1.4.2 论文创新点  25-27
第二章水线面大开口船型阻力试验研究  27-40
  2.1 本章简介  27
  2.2 试验介绍  27-32
    2.2.1 试验对象  27-28
    2.2.2 试验方案  28-32
  2.3 试验结果及分析  32-38
  2.4 本章小结  38-40
第三章水线面大开口船型阻力试验数值模拟计算  40-54
  3.1 本章简介  40
  3.2 基本数学物理模型  40-45
    3.2.1 控制方程  40-41
    3.2.2 离散方法  41-42
    3.2.3 湍流模型  42-44
    3.2.4 流场计算方法  44
    3.2.5 边界条件  44-45
    3.2.6 自由面处理  45
  3.3 模型试验数值模拟  45-48
    3.3.1 计算模型与网格划分  46-47
      3.3.1.1 近壁网格  46
      3.3.1.2 计算模型  46-47
    3.3.2 计算区域与边界条件  47
    3.3.3 计算方法  47-48
  3.4 计算结果与分析  48-52
  3.5 本章小结  52-54
第四章水线面开口尺寸对船体阻力性能的影响  54-90
  4.1 本章简介  54
  4.2 计算模型  54-55
  4.3 船艏开口对船体阻力性能的影响  55-71
    4.3.1 船体阻力随船艏开口纵向尺寸的变化  55-64
      4.3.1.1 Fr=0.132 时船体阻力随船艏开口纵向尺寸的变化  55-59
      4.3.1.2 Fr=0.197 时船体阻力随船艏开口纵向尺寸的变化  59-64
    4.3.2 船体阻力随船艏开口横向尺寸的变化  64-71
      4.3.2.1 Fr=0.132 时船体阻力随船艏开口横向尺寸的变化  64-67
      4.3.2.2 Fr=0.197 时船体阻力随船艏开口横向尺寸的变化  67-71
  4.4 船艉开口对船体阻力性能的影响  71-78
    4.4.1 Fr=0.132 时船体阻力随船艉开口尺寸的变化  71-75
    4.4.2 Fr=0.197 时船体阻力随船艉开口尺寸的变化  75-78
  4.5 艏艉开口相互作用对船体阻力性能的影响  78-88
    4.5.1 Fr=0.132 时艏艉开口相互作用对船体阻力性能的影响  79-83
    4.5.2 Fr=0.197 时艏艉开口相互作用对船体阻力性能的影响  83-86
    4.5.3 计算结果分析  86-88
  4.6 本章小结  88-90
第五章船艏开口形状对船体阻力性能的影响  90-117
  5.1 本章简介  90
  5.2 计算模型  90
  5.3 艏开口处型线变化对船体阻力性能的影响  90-115
    5.3.1 艏开口形状A  90-100
      5.3.1.1 型线A-I  91-96
      5.3.1.2 型线A-II  96-100
      5.3.1.3 计算结果分析  100
    5.3.2 艏开口形状B  100-109
      5.3.2.1 型线B-I  101-104
      5.3.2.2 型线B-II  104-109
      5.3.2.3 计算结果分析  109
    5.3.3 艏开口形状C  109-115
  5.4 本章小结  115-117
第六章“天鲸号”开口处的型线优化  117-125
  6.1 本章简介  117
  6.2 关于“天鲸号”  117-118
  6.3 开口处型线优化方案  118-122
    6.3.1 船艏开口处的型线优化  119-120
    6.3.2 船艉开口处的型线优化  120-122
  6.4 优化方案与原线型的阻力性能比较  122-124
  6.5 本章小结  124-125
第七章总结与展望  125-129
  7.1 主要研究工作及结论  125-127
  7.2 研究展望  127-129
参考文献  129-139
攻读博士学位期间已发表或录用的论文  139-140
致谢  140-142

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