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【6h】

改变侧体姿态角的三体船水动力性能数值模拟

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摘要

二十一世纪是海洋的世纪,人类对海洋生物、矿物和水资源的开发日益加剧,因此海洋资源的开发和利用对船舶性能提出了更高的要求,为此许多国家投入了大量的人力和物力积极开展研发高性能船型,三体船作为一种新型高性能船舶已经得到了人们的共识。船舶在高航速情况下,船体周围及尾流场的特性将直接影响到船舶的水动力性能,采取有效的措施改善船舶绕流场,使船舶具有优良的水动力性能,是研究人员一直追求的。三体船由于其侧体的存在,使得其周围绕流场非常复杂,同时其水动力性能也发生了很大变化,因此合理改变三体船侧体姿态,改善其水动力性能是当前研究热点之一。本文对三体船粘性流场进行数值模拟,以从理论数值上考察分析三体船侧体相对于中体的三个安装姿态角改变时其阻力等水动力性能的影响。
　　 由于网格质量的优劣会直接影响数值计算的稳定性、收敛性和计算精度,并且对于三体船来说,其形状十分复杂,给网格的生成带来极大的困难,因此本文对三体船计算网格划分方法进行了系列研究。首先文中对三体船中体的表面网格、船体表面第一层网格节点的高度以及网格节点的分布比例系数等进行数值模拟,将得出结果与试验数据进行对比,提出了网格划法中一些重要参数的建议范围。然后将网格划法中重要参数建议值运用到三体船上,分别用三套符合一定要求粗细不同的网格进行CFD检验、验证和网格收敛性研究,以验证所得出网格参数的可靠性。
　　 湍流模式是船舶CFD中的一个重要因素,本文随后针对七种不同的湍流模式,以所研究的三体船的中体和三体船为计算模型,分析了不同湍流模型对三体船中体和三体船阻力计算结果的影响,并与试验数据进行对比,得出最适合三体船水动力计算的湍流模型。之后将所得出的计算网格和湍流模型结论运用到中体和三体船上,对其在不同速度下的粘性流场进行数值模拟,模拟结果与试验结果吻合较好,验证研究结论的可靠性和方法的适用性。
　　 常规三体船的侧体安装姿态大体上是垂直的,纵向平行于中体以及不带纵倾角的,即纵倾角α=0,攻角β=0和内倾角γ=0的情形。为考虑一种三体船型新概念,本文考虑α、β和γ分别或组合改变时对所形成的三体船型的阻力和其他水动力性能的影响,初步探索这种变动产生的新型三体船型对上述性能改善的可能性。本文最后针对前面研究的三体船,对多种不同侧体姿态下的三体船绕流场进行了数值模拟,分别分析了不同侧体姿态对三体船的阻力、升力和纵倾力矩的影响,得出各自适合的三体船侧体姿态,最终综合考虑阻力、升力和纵倾力矩对三体船的影响,优选出合适的侧体姿态,为以后三体船侧体姿态的研究提供一定的参考。

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