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航行船舶甲板上浪及外飘影响的计算研究
作 者: 龚丞
导 师: 朱仁传
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: 甲板上浪 CFD 势流理论 船舶运动 移动网格 船艏外飘
分类号: U662
类 型: 硕士论文
年 份: 2012年
下 载: 35次
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内容摘要
甲板上浪通常是指当船舶遭遇波浪,来波作用于船体并超越干舷,海水冲上甲板的现象。甲板上浪发生时,水体会对甲板上的设备、货物和上层建筑等造成破坏。在高速航行状态下,严重的甲板上浪甚至可能导致船舶的倾覆。很久以来甲板上浪现象一直受到船舶与海洋工程界的关注,然而甲板上浪问题是一种强非线性问题,数学上极难求解,物理现象十分复杂,以往理论和数值研究工作仅是在一定程度上对甲板上浪进行描述,其发生机理也尚未给出适当解释,不能直接用于解决实际的工程问题。随着计算机技术的高速发展,数值模拟成为研究和解决甲板上浪问题的一种重要手段,充分利用现有的理论和数值研究的成果,结合传统的船舶水动力分析方法的优势,将是一种可以解决现实工程问题的有效方法,具有广阔的应用前景。本文在系统地回顾和总结了甲板上浪问题的发展历程和目前国内外研究进展的基础上,就船舶的甲板上浪问题开展了如下的研究工作:首先,本文利用势流理论方法和CFD技术各自的优势建立了一种能够快速、准确地再现甲板上浪现象的数值方法。针对工程实际应用,建立了计入整船运动的局部船艏甲板上浪的计算模型,对在迎浪工况下高速行驶的S175船甲板上浪现象进行了三维的数值模拟。该方法基于Fluent软件的二次开发,并利用动网格方法计入了船体的运动规律,再现了甲板上浪现象发生时水体在甲板上的流动与冲击,数值模拟结果与试验吻合良好。该方法使用的网格数量少,计算效率高,对于进一步进行船型优化设计,特别是船艏的线型设计提供了基础。其次,基于以上的数值模拟方法,在无航速和有航速两种不同的状态下对船艏部外飘角进行了改变,讨论了船艏外飘对于甲板上浪产生的影响。通过数值计算得到不同工况下甲板上浪时水体的流动以及甲板结构物受到的载荷,并对结果进行分析,表明了该方法在甲板上浪问题的研究应用方面有效和方便的特点。研究结果表明,本文的方法能够对船体甲板上浪现象进行模拟再现,且具有计算时间短,计算效率高的特点,可现实的解决工程实际问题。同时该方法能够对影响船舶甲板上浪的因素进行快速有效的分析对比,可广泛应用于船艏甲板上浪问题的研究。
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全文目录
摘要 6-8 ABSTRACT 8-13 第一章 绪论 13-25 1.1 前言 13 1.2 甲板上浪的研究背景和意义 13-22 1.2.1 甲板上浪的物理描述 13-14 1.2.2 甲板上浪的模型试验研究 14-16 1.2.3 甲板上浪的理论研究方法 16-21 1.2.4 计算流体力学方法及其应用 21-22 1.3 本文的主要工作和创新点 22-25 1.3.1 本文的主要工作 22-23 1.3.2 本文的主要创新点 23-25 第二章 船舶在波浪上运动的势流理论 25-39 2.1 船舶在波浪上运动的基本概念 25-27 2.1.1 坐标系的选取 25-26 2.1.2 线性速度势的分解 26-27 2.2 船体运动方程 27-30 2.2.1 船体运动方程的一般描述 27-28 2.2.2 流体动力和静恢复力的求解 28-30 2.3 速度势和波浪力的求解 30-36 2.3.1 二维辐射势的求解和剖面流体动力系数的计算 31-33 2.3.2 入射波速度势的求解 33-34 2.3.3 绕射速度势的求解 34 2.3.4 波浪力的表达 34-36 2.4 计算实例 36-37 2.5 本章小结 37-39 第三章 船体甲板上浪数值模拟的粘流理论 39-51 3.1 流场的控制方程和初边值条件 39-41 3.2 湍流模型 41-42 3.3 数值求解方法 42-45 3.3.1 离散方法 42-43 3.3.2 离散格式 43 3.3.3 时间离散 43-44 3.3.4 压力-速度耦合迭代 44-45 3.4 计算实例 45-50 3.4.1 甲板上浪试验 45-46 3.4.2 船体的运动 46-47 3.4.3 计算域的网格划分方案 47 3.4.4 甲板上浪的数值模拟与结果分析 47-50 3.5 本章小结 50-51 第四章 运动船体船艏甲板上浪的工程计算模型及应用 51-63 4.1 前言 51 4.2 算例分析 51-58 4.2.1 S-175船型参数及模型试验 51-53 4.2.2 S-175船甲板上浪的数值模拟方法 53-55 4.2.3 S-175船的摇荡运动计算 55-56 4.2.4 计入整船运动的局部船艏上浪计算模型 56-58 4.3 数值模拟结果的验证与分析 58-61 4.3.1 甲板上水体的流动模拟 58 4.3.2 甲板上冲击载荷计算的验证 58-61 4.4 本章小结 61-63 第五章 船艏外飘对甲板上浪与载荷的影响 63-79 5.1 前言 63 5.2 不同外飘船艏的甲板上浪数值模拟 63-66 5.2.1 局部船艏甲板上浪的数值模型 63-65 5.2.2 计算域网格的划分 65-66 5.2.3 船体在波浪上的运动以及甲板的进水流速 66 5.3 无航速情况下船艏外飘对上浪的影响 66-73 5.3.1 无航速情况下S175船的摇荡运动计算 67 5.3.2 船艏外飘对甲板上水体流动的影响 67-69 5.3.3 船艏外飘对甲板上冲击载荷的影响 69-73 5.4 有航速情况下船艏外飘对上浪的影响 73-78 5.4.1 船艏外飘对甲板上水体流动的影响 73-75 5.4.2 船艏外飘对甲板上冲击载荷的影响 75-78 5.5 本章小结 78-79 第六章 总结与展望 79-81 6.1 全文总结 79-80 6.2 研究展望 80-81 参考文献 81-86 攻读硕士学位期间发表或录用的论文 86-87 致谢 87
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中图分类: > 交通运输 > 水路运输 > 船舶工程 > 船舶设计
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