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舰船气泡尾流的数值模拟

作　者: 万鹏程
导　师: 傅惠萍
学　校: 上海交通大学
专　业: 船舶与海洋工程
关键词: 舰船气泡尾流多相流数值模拟
分类号: U674.701
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
下　载: 59次
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内容摘要

舰船气泡尾流是舰船在航行过程中,于其尾部产生的一段包含大量气泡的湍流区域,它是舰船运动的特有产物。多年来,尾流特性及其应用一直都是国内外科学研究的一个热点领域。相比于其它水域,舰船气泡尾流区域具有特殊的性质,并包含了舰船的丰富信息,因而在军事方面有重要的研究和应用价值。另外,其民用价值也逐渐得以体现。本文在较为系统地回顾和总结了目前国内外气泡尾流问题的研究进展后,运用通用CFD软件FLUENT数值模拟了一个CFD标称船模的气泡尾流。主要思路是:首先对船模进行基于VOF两相流模型的带自由面粘性流场数值模拟;然后将自由面固化,对自由面以下的水体进行基于混合物多相流模型(Mixture)的气泡尾流场数值模拟。计算过程中,采用SIMPLE算法(Semi-Implicit Method for Pressure-Linked Equations),并探讨了Realizable k-ε两方程模型和湍流应力模型(Reynolds Stress Model)对气泡尾流计算的影响。在此基础上,本文采用体积力模型模拟螺旋桨的旋转运动,选用不同的气泡尺寸,改变船模航速,多次进行气泡尾流的数值模拟,分别讨论了螺旋桨、气泡直径以及航速对尾流模拟的影响。计算结果定性正确,验证了本文所使用的空气卷吸模型的适用性,以及所采用的气泡尾流数值模拟方法的可行性。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-5
目录  5-7
第一章绪论  7-20
  1.1 引言  7
  1.2 尾流介绍  7-11
    1.2.1 尾流的概念  7-8
    1.2.2 尾流的特征  8-11
      1.2.2.1 舰船尾流场的几何特征  8-9
      1.2.2.2 舰船尾流场中气泡的时间特性  9-10
      1.2.2.3 尾流的声学特征  10
      1.2.2.4 尾流的光学特征  10-11
      1.2.2.5 尾流的热学特征  11
  1.3 研究背景及意义  11-13
  1.4 国内外研究现状  13-18
    1.4.1 国外研究现状  14-17
    1.4.2 国内研究现状  17-18
  1.5 本文的主要工作和创新点  18-20
    1.5.1 本文的主要工作  18-19
    1.5.2 本文的主要创新点  19-20
第二章基本理论和数值方法  20-40
  2.1 引言  20
  2.2 流体力学基本方程  20-22
    2.2.1 质量守恒方程  20
    2.2.2 动量守恒方程  20-21
    2.2.3 雷诺方程(RANS 方程)  21-22
  2.3 尾流模拟  22-28
    2.3.1 自由面流动的模拟  22-24
    2.3.2 气泡尾流模型  24-28
      2.3.2.1 Mixture 多相流模型  24-26
      2.3.2.2 空气卷吸模型  26-28
  2.4 湍流模拟  28-37
    2.4.1 湍流概述  28-29
    2.4.2 湍流的数值模拟及相应的湍流模型  29-34
      2.4.2.1 标准 k 模型和 Realizable k 模型  32-33
      2.4.2.2 RSM 模型  33-34
    2.4.3 近壁处理  34-37
  2.5 数值求解方法  37-40
    2.5.1 方程的离散  38
    2.5.2 离散方程的求解  38-40
第三章 KCS 船模气泡尾流数值模拟  40-63
  3.1 引言  40
  3.2 研究对象  40-41
  3.3 网格划分  41-42
  3.4 边界条件  42-43
  3.5 单独船体的尾流模拟  43-56
    3.5.1 VOF 自由面计算  43-49
      3.5.1.1 求解设置  43-45
      3.5.1.2 计算结果  45-49
    3.5.2 Mixture 气泡尾流计算  49-56
      3.5.2.1 模拟设置  49-50
      3.5.2.2 计算结果  50-56
  3.6 考虑螺旋桨影响的尾流模拟  56-62
    3.6.1 体积力模型  56-58
    3.6.2 考虑推力和转矩  58-62
  3.7 一些设置和操作经验  62-63
第四章改变相关参数对尾流模拟的影响  63-74
  4.1 引言  63
  4.2 不同气泡尺寸对尾流的影响  63-69
    4.2.1 气泡直径的选择  63
    4.2.2 计算结果及分析  63-69
  4.3 不同航速对尾流的影响  69-74
    4.3.1 计算条件  69
    4.3.2 计算结果及分析  69-74
第五章研究总结与展望  74-77
参考文献  77-81
致谢  81-82
攻读学位期间发表的学术论文  82-84

舰船气泡尾流的数值模拟

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