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URANS to Predict Ship Roll Damping Using Forced Roll and Free Decay Oscillations

作　者: AHMED SHAKEEL
导　师: 段文洋
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 船舶与海洋结构物设计制造
关键词: 大幅横摇漩涡形成阻尼系数 CFD FLUENT
分类号: U661
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 13次
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内容摘要

本文使用了一般商业CFD软件FLUENT,采用非定常的RAMS方程对S175集装箱船的横摇及横摇阻尼的进行了数值计算。第一部分为数值横摇试验,该数值实验模拟给定横摇幅值的模型实验。第二部为数值横摇自由衰减实验,其模拟这样一个模型实验即模型在初始横摇幅值下放松,观察其六个自由度中的横摇运动,这一试验是在船舶的固有频率下进行的。使用多相技术VOF法捕捉自由表面效应,用PISO得到压力与速度的关系,对于横摇运动使用动态网格,并采用SSTK-ω模型来获得湍流运动。在模拟强迫横摇实验中,采用驳船模型和加上附体舭龙骨的驳船模型,进而分析了舭龙骨效应。数值计算的横摇幅值范围为6-31。,因此要考虑大幅横摇的情况。此外进行了控制频率变化的计算即在二种不同的强迫频率下进行强迫横摇试验。在横摇自由衰减数值实验中,通过在不同的横摇幅值下放松模型来考虑初始幅值对横摇性能的影响。通过对二种不同回转半径下的模拟,还考虑了回转半径对横摇性能的影响。最后通过把重心置于自由面之上和之下,考虑了重心高度的影响并得到了一些有趣的结果。通过研究网格独立与时间步长独立研究,进行了数值验证。最后,比较了数值计算得到的横摇阻尼系数与试验得到的横摇阻尼系数。比较结果表明低频下数值结果比高频下准确,然而幅值的变化对CFD计算结果影响相对较小。自由衰减数值模拟能够很准确地获得阻尼(系数),并且对船舶固有频率的预估也在可接受精度之内。数值模拟中获得了漩涡分离。本文工作表明非定常的RANS数值模拟是计算船舶的横摇阻尼的一个有效地工具,并且可与模型试验相辅相成。

全文目录

摘要  5-6
ABSTRACT  6-9
CHAPTER 1 INTRODUCTION  9-15
  1.1 Ship Motions  9-10
    1.1.1 Ship Roll Motion  9-10
    1.1.2 Roll Damping  10
  1.2 Brief Background  10-11
  1.3 Motivation  11-13
  1.4 Objectives and Scope  13-14
  1.5 Overview  14-15
CHAPTER 2 SHIP ROLL DAMPING PREDICTIONS – A REVIEW  15-37
  2.1 Introduction  15
  2.2 Governing Equations  15
  2.3 Froude’s and Kriloff’s Contributions  15-16
  2.4 Early Experimental Methods and Roll Response Findings  16-19
  2.5 Potential Flow Methods and The Strip Theory for Roll Damping  19-28
  2.6 Ikeda’s Method and Empirical Rectifications  28-34
    2.6.1 Prologue  28-29
    2.6.2 Frictional Component, BF  29-30
    2.6.3 Eddy-making Component, BE  30-32
    2.6.4 Wave-making Component, BW  32
    2.6.5 Bilge-keel Component, BBK  32-33
    2.6.6 Lift Component, BL  33
    2.6.7 Final Remarks  33-34
  2.7 Panel Methods  34-35
  2.8 Embedded Vortex Approach  35
  2.9 Free Surface Random Vortex Method  35-36
  2.10 2.5D Seakeeping Methods  36
  2.11 RANS Methods  36-37
CHAPTER 3 SHIP ROLL - UNSTEADY RANS  37-45
  3.1 Preamble  37
  3.2 The Navier-Stokes and The Continuity Equations  37-38
  3.3 Unsteady RANS Equations  38-39
  3.4 Turbulence  39-43
    3.4.1 Introduction  39-40
    3.4.2 Turbulence Models in FLUENT  40-43
  3.5 Multiphase Modelling  43-45
    3.5.1 The VOF Model  44-45
CHAPTER 4 FORCED ROLL ANALYSIS AND DAMPING CALCULATIONS  45-65
  4.1 Introduction  45
  4.2 S175 Container Ship Specifications  45-46
  4.3 CFD Analysis  46-54
    4.3.1 3D Surface Model Generation  46-47
    4.3.2 Three-Dimensional Mesh Generation  47-49
    4.3.3 Boundary-Conditions  49
    4.3.4 Solution using CFD Code FLUENT  49-54
  4.4 Post-processing the Results  54-61
  4.5 Numerical Verification  61-62
  4.6 Damping Calculations and Results Validation and Discussion  62-65
CHAPTER 5 FREE DECAY ROLL ANALYSIS AND DAMPING CALCULATIONS  65-78
  5.1 Introduction  65
  5.2 Ship Roll Free-Decay  65
  5.3 Similarities between Forced roll and Free-Decay Simulations  65-66
  5.4 Boundary-Conditions  66
  5.5 Solution using CFD Code FLUENT  66-69
    5.5.1 Pressure-Velocity Coupling  66
    5.5.2 Discretization Schemes  66-69
  5.6 Post-processing the Results  69-77
    5.6.1 Effect of Change in Initial Roll Amplitude  69
    5.6.2 Effect of Change in Radius of Gyration  69
    5.6.3 Effect of Change in Metacentric Height  69-70
    5.6.4 Comparison with Experiment  70-77
  5.7 Results Discussion  77-78
CHAPTER 6 CONCLUSIONS AND FUTURE PROPOSALS  78-80
  6.1 Conclusions  78-79
  6.2 Future Proposals  79-80
REFERENCES  80-86
ACKNOWLEDGEMENTS  86

URANS to Predict Ship Roll Damping Using Forced Roll and Free Decay Oscillations

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