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基于CFD阻力计算的“育鹏”轮运动数学模型

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摘要

第1章 绪论

1.1 选题背景及意义

1.2 课题研究现状

1.2.1 船舶运动数学模型研究现状

1.2.2 CFD水动力计算研究现状

1.2.3 船舶阻力数值计算研究现状

1.3 本文的研究内容

第2章 “育鹏”轮四自由度数学模型

2.1 船舶操纵运动坐标系

2.2.1 船舶运动方程的建立

2.2.2 运动参量的无因次化

2.3 裸船体水动力模型

2.3.1 惯性类流体动力及力矩

2.3.2 粘性类流体动力及力矩

2.4 螺旋桨推力数学模型

2.4.1 FPP四象限推力系数计算

2.4.2 螺旋桨处伴流系数和推力减额系数的计算

2.5 主机特性计算模型

2.6 舵及舵机特性计算模型

2.7 外界干扰力计算模型

2.7.1 风干扰力计算模型

2.7.2 规则波中船舶波浪力计算

2.7.3 流干扰力计算模型

2.8 本章小结

第3章 “育鹏”轮阻力数值计算

3.1 数值模拟流程

3.1.1 控制方程

3.1.2 湍流模拟

3.1.3 近壁区域处理

3.1.4 数值方法

3.1.5 自由面处理

3.2 船体几何模型及计算域建立

3.2.1 “育鹏”轮三维几何模型建立

3.2.2 计算域及边界条件设定

3.2.3 网格划分

3.3 直航阻力数值计算

3.3.1 模型选取及参数设置

3.3.2 计算结果与分析

3.4 横流阻力数值计算

3.5 本章小结

第4章 “育鹏”轮运动仿真试验

4.1 仿真流程

4.2 “育鹏”轮运动仿真试验及结果分析

4.2.1 压载状态下的航速测试

4.2.2 全速倒车停船

4.2.3 静水中Z形试验

4.2.4 压载状态下风中回转试验

4.2.5 压载与满载旋回对比

4.2.6 风干扰力下仿真

4.2.7 波浪干扰力下仿真

4.2.8 流的干扰力下的仿真

4.3 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 本文主要完成的工作

5.2 工作展望

参考文献

致谢

作者简介

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摘要

大连海事大学教学实习船“育鹏”轮主要面向海事教育和船舶科技的未来发展。建立逼真的“育鹏”轮的运动数学模型,对提高“育鹏”轮模拟器的行为真实感和完善操纵性功能具有重要的意义。“育鹏”轮模拟器的开发,对于培训学生认识实习,将理论与实践相结合的同时避免海上事故具有重要的工程应用价值。研究基于CFD阻力计算的“育鹏”轮运动数学模型,本文主要做了以下工作:
  (1)在前人研究的基础上,基于分离型建模的思想,考虑到船舶全速域的工况,采用兼顾常速域和低速域的粘性水动力计算方法:由经验公式计算操纵性相关的船体水动力和力矩;借鉴Assemberg对FPP四象限推力系数回归公式,内插估算“育鹏”轮四象限推力系数。
  (2)对“育鹏”轮风压系数和风压力矩系数进行估算,建立风压力和力矩模型;将船体近似为箱型船,基于微幅波假设,建立一阶波浪力计算模型;对均匀流进行建模。
  (3)基于CFD对船舶直航和纯横荡运动地阻力进行数值模拟计算。对直航阻力进行多项式拟合;利用横向阻力系数求取横向水动力导数,应用到船舶运动数学模型仿真预报中。
  (4)利用Visual Studio2013作为编程工具,搭建船舶自航运动仿真平台,以“育鹏”轮为仿真对象,进行静水中和外界干扰力中船舶操纵运动仿真试验。
  论文针对“育鹏”轮建立了大风浪中四自由度运动数学模型,并进行了仿真,为“育鹏”轮的操纵性和耐波性运动预报提供了一定的理论依据。为研发“育鹏”轮操纵模拟器及驾驶员培训具有一定的实际应用价值。

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