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采用喷水推进器的三体船尾部形状与阻力性能关系研究

作　者: 葛宜龙
导　师: 黄德波
学　校: 哈尔滨工程大学
专　业: 流体力学
关键词: 三体船阻力性能尾部形状喷水推进器粘流数值模拟 Michell理论
分类号: U664.3
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
下　载: 77次
引　用: 2次
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内容摘要

作为一种高性能船舶,三体船的优越性能已经得到了人们的认可,同时人们又对它提出了更高的要求。喷水推进器由于在减阻、降噪等方面的优越性,已逐渐被人们应用于三体船。在此背景下,本文研究了适合于喷水器的三体船尾部形状,并对不同尾部形状对喷水推进三体船阻力性能的影响作了初步的探讨。采用直接求解雷诺时均N-S方程(RANS方程)的方法对带自由液面的三体船周围粘性绕流场和阻力进行了数值模拟,湍流模型选用RNG k-ε模型和SST k-ω模型,自由液面采用VOF方法进行处理。到了三体船周围粘性绕流场的分布、阻力大小和兴波特性。将不同湍流模型的计算结果与试验结果进行比较分析,给出了阻力系数和阻力计算结果,较好地预报了三体船的阻力性能。计算结果分析表明,标准κ-ε模型不适合于预报三体船的水动力性能,而RNG k-ε模型和SST k-ω模型适合于预报三体船的阻力性能,并且有一定的普适性；同时也表明了FLUENT在预报三体船阻力性能中的可行性与可靠性。对于喷水推进三体船的研究,根据所给出五种不同方案的尾部形状建立计算模型。应用结构网格对求解域进行离散,计算出不同方案的总阻力结果,对阻力结果进行比较分析,得到一个阻力性能较优的方案。采用Michell兴波理论,计算出该方案的三体船的兴波阻力,摩擦阻力采用ITTC公式进行估算。计算结果表明数值模拟得到的总阻力曲线与Michell理论计算出的总阻力曲线趋势一致。将计算得到的有效功率作为喷水推进器的有效功率来确定喷水推进器的进出口边界条件,并将阻力计算结果与裸船体的阻力结果进行比较,得出加装喷水推进器对阻力性能的影响。同时,本文从提高喷水推进器效率出发,对喷水推进器进口的流场进行了数值模拟。本文研究了不同尾部形状对喷水推进三体船阻力性能以及周围流场的影响,寻找了有关规律,给出了对优化喷水推进三体船尾部形状有参考价值的结论。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-12
第1章绪论  12-22
  1.1 课题研究的背景和意义  12-14
  1.2 国内外的研究概况  14-16
  1.3 三体船阻力研究与波形分析  16-18
    1.3.1 三体船阻力成分及其研究进展  16-17
    1.3.2 三体船周围流场波形分析  17-18
  1.4 船舶粘性流场数值模拟的研究现状与动态  18-20
    1.4.1 湍流数值模拟的方法  18-19
    1.4.2 粘性流场数值模拟的进展  19-20
  1.5 本课题的主要工作  20-22
第2章粘性流场数值模拟的基本理论  22-39
  2.1 流体运动的控制方程  22-23
    2.1.1 流体运动的连续性方程  22-23
    2.1.2 流体运动的动量方程  23
  2.2 控制方程的离散  23-24
    2.2.1 方程离散的目的  24
    2.2.2 方程离散的步骤  24
    2.2.3 离散的方法  24
  2.3 数值模拟算法的选取  24-26
    2.3.1 SIMPLE算法  25
    2.3.2 PISO算法  25-26
  2.4 湍流模型的选取  26-29
    2.4.1 Reynolds应力模型  26
    2.4.2 标准k-ε模型  26-27
    2.4.3 RNG k-ε湍流模型  27-28
    2.4.4 壁面函数法  28-29
  2.5 网格的划分  29-32
    2.5.1 网格的分类  29-30
    2.5.2 网格的生成  30-31
    2.5.3 网格生成步骤的及原则  31-32
  2.6 边界条件的设置  32-35
    2.6.1 边界条件的两种类型  32
    2.6.2 船舶粘性绕流中的常见边界条件  32-35
  2.7 自由液面的追踪与捕捉  35-38
    2.7.1 自由面捕捉的发展概况  35-36
    2.7.2 流体体积函数(VOF)方法  36-37
    2.7.3 VOF方程的求解  37-38
  2.8 本章小结  38-39
第3章 FA1-A型三体船的数值模拟  39-53
  3.1 FA1-A型三体船数学模型的建立  39-44
    3.1.1 三体船模型的建立  39-40
    3.1.2 计算域的选取与划分  40-41
    3.1.3 网格的选取与划分  41-43
    3.1.4 计算模型边界条件的设置  43-44
  3.2 考虑自由液面影响的数值模拟  44-52
    3.2.1 求解的设置  44-45
    3.2.2 结果的处理与分析  45-52
  3.3 本章小结  52-53
第4章尾部形状对喷水推进三体船阻力的影响  53-81
  4.1 不同尾部形状三体船的计算模型  53-61
    4.1.1 尾部形状型线的修改  53-56
    4.1.2 三体船模型及计算域的建立  56
    4.1.3 结构网格的采用与网格划分  56-59
    4.1.4 边界条件的设立与求解  59-61
  4.2 尾部形状对船体周围流场的影响  61-66
  4.3 尾部形状的改变对三体船阻力性能的影响  66-71
  4.4 加装喷水推进器对三体船阻力性能的影响  71-79
    4.4.1 数值模拟计算结果  71-75
    4.4.2 三体船阻力估算  75-78
    4.4.3 结果对比与分析  78-79
  4.5 本章小结  79-81
第5章不同尾部形状船体周围流场的模拟  81-88
  5.1 喷水推进船型数学模型的建立  81-83
    5.1.1 模型的建立  81-82
    5.1.2 网格的划分及边界条件的设置  82-83
  5.2 求解过程的控制  83
  5.3 计算结果与分析  83-87
  5.4 本章小结  87-88
结论  88-91
参考文献  91-95
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  95-96
致谢  96

采用喷水推进器的三体船尾部形状与阻力性能关系研究

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