学位论文 > 优秀研究生学位论文题录展示

水面船舶和高性能多体船兴波与阻力性能计算

作　者: 马娟
导　师: 万德成
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: Level set方法 SSTκ-ω overset重叠网格粘性流场水面船舶双体船三体船
分类号: U661.311
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
下　载: 332次
引　用: 1次
阅　读: 论文下载

内容摘要

在船舶设计中,对船舶阻力和船体粘性绕流场的精确预报非常重要。长时间以来人们将船舶阻力分为粘性阻力和兴波阻力彼此独立的两部分,即采用势流理论方法处理自由面,求解兴波阻力,忽略了粘性对自由面的影响,不能清楚给出船后伴流和船尾波情况。随着计算机的快速发展,船舶计算流体力学方法在计算能力和实用化方面都发生了深刻的变化,其计算船舶的阻力和模拟周围流场的流动细节的功能越来越强。本文就是通过求解RANS方程数值模拟各种水面船型的阻力和粘性绕流场问题;计算对象包括:典型标准水面单体船,由Wigley单体组成的双体船和三体船;最终得到与试验结果吻合较好的水面船舶阻力系数、船体表面波高图等,同时还给出了流场流动细节图。本文工作具体过程如下:首先,本文通过采用PISO (Pressure Implicit with Splitting of Operators)算法求解不可压缩RANS方程,对Wigley数学船型的阻力和粘性流场问题进行数值计算验证,其中自由面的模拟采用单相Level set方法,湍流模式选取SST k??模型。将计算船模阻力系数和船体表面波高图与模型试验结果,结果吻合较好,一方面验证了本文程序算法的可靠性,另一方面为其它复杂船型的自由面流场模拟提供一些经验。其次,本文分别对其它两类典型标准水面船型(DTMB 5415驱逐舰和60系列船型)的阻力系数和流场细节进行数值模拟。对于DTMB 5415船型,获得了与试验吻合较好的阻力系数和船体表面波高,较准确地捕捉到船体尾部伴流的重要特征;对于系列60船型,不仅获得了一系列航速下与试验值相符的阻力系数值,而且还详细给出了整个流场的流动细节图(如速度、压力分布图,船后涡粘图等)。再次,考虑到多体船结构化网格生成的复杂性,本文结合重叠网格(overset)技术,基于上述基本理论和算法,分别对Wigley双体船和三体船直航时的阻力和粘性流场进行数值模拟:对于高速双体船来说,片体船型的选择、设计航速以及片体间距比的选取都将影响其各方面性能。本文主要研究了片体间距与船长比值(K/L)和傅汝德数Fr对双体船阻力性能的影响,将双体船总阻力与两个片体阻力之和比较,通过绘制剩余阻力系数曲线,捕捉船体表面波高图及自由面波形图分析片体间的兴波干扰,并且给出典型片体布局下高速双体船的流场分析图,为高速双体船的设计提供参考价值。对于高速三体船而言,侧体的对称性、排水量,侧体相对主体的布置位置以及主侧体间的线型配合都是影响三体船性能的因素。本文主要研究侧体的布置位置对高速三体船阻力性能的影响,通过改变侧体位置(3个横向偏距,3个纵向偏距共9个状态)计算三体船模型在Fr=0.3~0.6时的阻力系数,以确定侧体的最佳位置,结果显示不存在某一侧体布局的阻力性能在全航速范围内都优于其它方案;对于较高傅汝德数Fr,侧体布置在纵向靠后、横向距中较小的位置时出现兴波有利干扰;而后给出此布置下的高速三体船流场细节图供以后设计参考。最后本文对应用已有程序的计算结果进行总结,说明本文的研究对用计算流体动力学(CFD)方法预报水面船舶的水动力性能及高速多体船在设计航速、片体间距参数选取有一定参考价值。

全文目录

摘要  4-6
ABSTRACT  6-10
第1章绪论  10-19
  1.1 船舶CFD 的发展概况  10-12
  1.2 水面船舶水动力性能的研究综述  12-13
  1.3 高性能多体船的特点和研究进展  13-17
    1.3.1 高性能多体船的特点  13-14
    1.3.2 双体船水动力研究进展  14-15
    1.3.3 三体船水动力研究进展  15-17
  1.4 本文研究的意义和主要内容  17-19
第2章数值模拟的基本理论和方法  19-42
  2.1 引言  19-20
  2.2 数学建模  20-25
    2.2.1 控制方程  20-21
    2.2.2 湍流模型  21-23
    2.2.3 边界条件处理  23-25
  2.3 数值方法  25-33
    2.3.1 有限差分法  25-27
    2.3.2 坐标转换  27-29
    2.3.3 建立离散方程  29-31
    2.3.4 PISO 算法  31-33
  2.4 自由面的数值模拟  33-35
    2.4.1 基本理论方法简介  33-34
    2.4.2 Level set 方法  34-35
  2.5 Overset 重叠网格技术  35-39
    2.5.1 引言  35-36
    2.5.2 基本原理  36-37
    2.5.3 挖洞和插值过程  37-39
  2.6 数值计算流程  39-41
  2.7 本章小结  41-42
第3章水面基本船型的阻力和粘性流场的数值模拟  42-71
  3.1 引言  42-43
  3.2 Wigley 模型船的数值计算与验证  43-56
    3.2.1 Wigley 船体几何模型  43
    3.2.2 计算网格  43-44
    3.2.3 计算方法和边界条件  44-45
    3.2.4 数值计算的依赖性验证  45-49
    3.2.5 小结  49-50
    3.2.6 结果对比分析  50-56
  3.3 DTMB 5415 船模阻力与粘性流场数值模拟  56-61
    3.3.1 DTMB 5415 船模  56-57
    3.3.2 计算网格划分和边界条件设置  57
    3.3.3 计算结果及分析  57-61
  3.4 Series60 船模阻力与粘性流场数值模拟  61-70
    3.4.1 S60 船型及参数  61-63
    3.4.2 计算网格和边界条件  63
    3.4.3 计算结果  63-70
  3.5 本章小结  70-71
第4章高性能多体船兴波与阻力性能计算  71-107
  4.1 双体船兴波与阻力性能计算  71-87
    4.1.1 Wigley 双体船模型  71-72
    4.1.2 计算域和网格  72-74
    4.1.3 计算方法和边界条件  74-75
    4.1.4 片体间波系干扰分析  75
    4.1.5 计算结果讨论与分析  75-87
  4.2 三体船兴波与阻力性能计算  87-105
    4.2.1 引言  87
    4.2.2 Wigley 三体船模型  87-89
    4.2.3 计算方案  89-90
    4.2.4 网格生成  90-91
    4.2.5 计算方法和边界条件  91-92
    4.2.6 计算结果及分析  92-105
  4.3 本章小结  105-107
第5章总结与展望  107-110
  5.1 总结  107-108
  5.2 展望  108-110
参考文献  110-115
致谢  115-116
攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果  116-119
附录  119

水面船舶和高性能多体船兴波与阻力性能计算

内容摘要

全文目录

相似论文