基于RANS法虚拟试验水池的船舶快速性预报研究

发布时间：2023-09-24 18:42

　　在船舶水动力学领域,快速性是船舶的一个重要性能指标。船舶快速性直接影响着商船的运营成本和军舰的战斗力及生存能力,为满足人类对海洋资源开发利用、未来航运业及海战的需求,对军民用船舶的快速性能提出新指标和新要求,因此寻找一种快速有效而精确的方法预报船舶快速性能十分重要。船舶快速性能包括船舶阻力性能和推进性能两个方面。传统对船舶阻力性能和推进性能的预报主要有模型试验方法和基于势流的理论方法。随着计算机技术的进步和数值计算方法的快速发展,基于粘性流求解雷诺平均N-S方程的RANS法在船舶水动力性能设计评估中得到广泛应用,与物理模型试验形成良性的互补和互动,弥补了势流理论忽略粘性对船体绕流场影响的局限。欧盟于2004年启动虚拟试验水池计划,提出全面的船舶水动力性能虚拟试验策略架构,加速船舶RANS法虚拟试验水池技术的研究进程。现阶段国内外基于RANS法虚拟试验水池技术的船舶快速性预报已取得创新性成果,但其在应用研究方面与船舶RANS法的长远目标还存在较大差距,需要建立更多的数值计算方法来推进和完善。本文以船舶RANS法虚拟试验水池技术为基础,系统地建立了用于求解船体总阻力、兴波阻力、组合推进装置...

【文章页数】：216 页

【学位级别】：博士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
主要符号表
1 绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 船舶快速性研究方法
        1.2.1 阻力性能相关理论研究进展
        1.2.2 推进性能相关理论方法回顾
        1.2.3 组合推进装置理论与试验研究
    1.3 船舶RANS法水动力研究简介
        1.3.1 船舶RANS法发展历程
        1.3.2 船舶RANS法快速性研究进展
    1.4 论文研究目标与内容
    1.5 论文章节安排
2 船舶RANS法的理论基础
    2.1 引言
    2.2 流体动力学控制方程
        2.2.1 质量守恒方程
        2.2.2 动量守恒方程
        2.2.3 RANS方程
    2.3 湍流模型
        2.3.1 湍流模型简介
        2.3.2 Standard k -ε湍流模型
        2.3.3 Realizable k -ε湍流模型
        2.3.4 Standard k -ω湍流模型
        2.3.5 SSTk-ε湍流模型
        2.3.6 RSM湍流模型
    2.4 湍流模型壁面区处理
        2.4.1 壁面区流动特点
        2.4.2 壁面函数法
    2.5 离散方法
        2.5.1 有限体积法基本思想
        2.5.2 有限体积法网格简介
        2.5.3 控制方程离散格式
    2.6 边界条件
        2.6.1 流动进口边界条件
        2.6.2 流动出口边界条件
        2.6.3 对称边界条件
        2.6.4 壁面边界条件
    2.7 本章小结
3 基于RANS法船体总阻力预报
    3.1 引言
    3.2 自由表面处理方法
    3.3 RANS法不确定度分析
        3.3.1 RANS法不确定度概念及理论基础
        3.3.2 RANS法检验
        3.3.3 RANS法有效性验证
        3.3.4 RANS法网格收敛性研究
    3.4 船体计算网格研究及不确定度分析
        3.4.1 渔船阻力试验
        3.4.2 渔船数值水池模型
        3.4.3 网格基本尺寸变化计算研究
        3.4.4 边界层第一层网格高度计算研究
        3.4.5 船体阻力不确定度分析
    3.5 湍流模型适用性研究
    3.6 船体阻力数值计算结果
        3.6.1 数值计算结果分析
        3.6.2 流场数值分析
        3.6.3 自由面波高及波形分析
    3.7 本章小结
4 基于Rankine源和三因次RANS法的船体兴波阻力计算
    4.1 引言
    4.2 Rankine源法基本原理
        4.2.1 Rankine源法数学模型
        4.2.2 线性化自由面边界条件
        4.2.3 方程离散
        4.2.4 兴波阻力计算
    4.3 三因次RANS法
        4.3.1 船体阻力划分
        4.3.2 船模与实船的总阻力换算方法
        4.3.3 三因次RANS法计算步骤
    4.4 计算船型
        4.4.1 Wigley船型参数
        4.4.2 S60船型参数
    4.5 Rankine源法网格划分及计算流程
        4.5.1 Rankine源法网格划分经验
        4.5.2 Wigley船和S60船的网格划分
        4.5.3 Rankine源法程序计算流程
    4.6 三因次RANS法数值前处理
        4.6.1 数值水池模型
        4.6.2 网格划分及边界条件设置
        4.6.3 数值分析方法
    4.7 两种计算方法数值结果分析
        4.7.1 Wigley船数值结果分析
        4.7.2 S60船数值结果分析
        4.7.3 兴波波形分析
    4.8 本章小结
5 基于RANS法的船舶推进装置水动力性能预报
    5.1 引言
    5.2 船舶推进装置三维模型的建立
        5.2.1 三维模型创建的基本原理
        5.2.2 三维模型的创建方法
    5.3 单桨水动力性能数值预报
        5.3.1 模型基本参数
        5.3.2 数值回归验证
        5.3.3 数值前处理
        5.3.4 湍流模型数值结果分析
        5.3.5 RANS法不确定度分析
    5.4 毂帽鳍水动力性能参数研究
        5.4.1 模型基本参数
        5.4.2 数值前处理
        5.4.3 计算结果分析
        5.4.4 流场分析
    5.5 串列螺旋桨水动力性能参数研究
        5.5.1 模型基本参数
        5.5.2 数值前处理
        5.5.3 串列螺旋桨数值结果验证
        5.5.4 串列螺旋桨参数匹配研究
        5.5.5 串列螺和单桨敞水性能比较
        5.5.6 尾流场分析
    5.6 对转螺旋桨水动力性能参数研究
        5.6.1 模型基本参数
        5.6.2 数值前处理
        5.6.3 对转桨计算公式
        5.6.4 CRP模型数值验证
        5.6.5 不同桨距比数值结果分析
        5.6.6 不同直径比数值结果分析
        5.6.7 对转桨和单桨敞水性能比较
        5.6.8 尾流场分析
    5.7 本章小结
6 基于RANS法的实船功率性能及航速预报研究
    6.1 引言
    6.2 船舶快速性预报的EFD法
        6.2.1 螺旋桨模型敞水试验
        6.2.2 船模阻力试验
        6.2.3 船模自航试验
    6.3 螺旋桨模型敞水试验数值模拟
        6.3.1 模型基本参数
        6.3.2 模型及网格划分
        6.3.3 不确定度分析
        6.3.4 计算结果分析
    6.4 船模阻力数值计算
        6.4.1 模型基本参数
        6.4.2 数值水池模型
        6.4.3 数值结果分析
        6.4.4 自由面波形分析
    6.5 船模自航数值模拟
        6.5.1 模型及网格划分
        6.5.2 船模自航RANS法
        6.5.3 船模自航因子分析
        6.5.4 波形及尾流场分析
    6.6 实船快速性预报结果分析
        6.6.1 实桨敞水性能预报结果
        6.6.2 实船阻力性能预报结果
        6.6.3 实船功率性能及航速预报结果
    6.7 本章小结
7 结论与展望
    7.1 结论
    7.2 创新点
    7.3 展望
参考文献
攻读博士学位期间科研项目及科研成果
致谢
作者简介



本文编号：3848536