三體船和五體船的阻力與流場(chǎng)計(jì)算及比較_圖文

1、哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文三體船和五體船的阻力與流場(chǎng)計(jì)算及比較姓名:孫立憲申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別:碩士專業(yè):流體力學(xué)指導(dǎo)教師:黃德波20060301 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文的高速Trimarall三體船“埃比尼澤.斯克魯奇”號(hào),該船在試航和使用過(guò)程中反映出良好的快速性、機(jī)動(dòng)性和穩(wěn)定性。目前,法國(guó)正重金打造一艘全長(zhǎng)約120米到130米,速度比普通渡輪提高一倍的三體渡輪,稱之為“海上協(xié)和”,最先完成的該型渡輪計(jì)劃將于2006年首航。 圖1.1法國(guó)“海上協(xié)和”三體渡輪五體船的概念是由英國(guó)船舶設(shè)計(jì)師Nigel Gee提出的。目前,五體船作為一種新的船型概念,其開(kāi)發(fā)研究還僅局限在英國(guó)、挪威及西班牙等少數(shù)造船先

2、進(jìn)的國(guó)家。英國(guó)的NGA設(shè)計(jì)公司在瑞士的Norasia sA航運(yùn)公司的支持下以多體船概念為基礎(chǔ)開(kāi)發(fā)新型高速渡船和集裝箱船的研究設(shè)計(jì)中,對(duì)五體船型進(jìn)行了一系列的研究和試驗(yàn)。英國(guó)倫敦大學(xué)(ucL、西班牙IzAR公司、挪威MARINTEK水池、美國(guó)加州州立大學(xué)(CSU、Locl(11eed Manin集團(tuán)等機(jī)構(gòu)也已投入大量人力和財(cái)力對(duì)其進(jìn)行研究。這些模型試驗(yàn)和理論分析都表明:五體船的高速狀態(tài)下的阻力小,高海況下的失速也非常小,有良好的快速性和適航性。與三體船相比,其兩對(duì)小側(cè)體有利于提高船舶的破艙穩(wěn)性,在高速航行時(shí)發(fā)生埋首現(xiàn)象的頻率也比較低,同時(shí),其甲板面積更加寬闊,有利于總布置。五體船的諸多特點(diǎn)使其非

3、常適用于大型高速客貨渡輪和軍用艦船?？梢哉f(shuō),五體船是一種極有發(fā)展前途的高速新船型。目前,NGA設(shè)計(jì)公司已經(jīng)應(yīng)用五體船概念制定了“PEBOS”集裝箱船開(kāi)發(fā)計(jì)劃和“PEcON”渡船開(kāi)發(fā)計(jì)劃。哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文 圖1.2“PEB0s”開(kāi)發(fā)計(jì)劃的五體集裝箱船高速多體船也受到軍方的青睞,美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)的海軍都開(kāi)始投入對(duì)多體船型戰(zhàn)艦的預(yù)研和方案論證。英國(guó)海軍在此期間投入了大量的資金對(duì)軍用三體船進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)論證,還在2000年建成了長(zhǎng)98.7米的三體試驗(yàn)艦“RV Triton”號(hào)(“人魚(yú)海神”號(hào),該試驗(yàn)艦是按護(hù)衛(wèi)艦的概念以三分之二的比例縮小設(shè)計(jì)建造的,目前該艦已經(jīng)完成了一系列海上試驗(yàn)。英

4、國(guó)“未來(lái)水面戰(zhàn)艦(Future Surf犯e Cornbatant,Fsc”計(jì)劃將三體船作為第一候選船型,并計(jì)劃到2013年以FSC代替22型、23型護(hù)衛(wèi)艦。 圖1-3海試中“人魚(yú)海神”號(hào)三體試驗(yàn)艦與此同時(shí),為了支持“FSC”計(jì)劃,英國(guó)的一些研究設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)還進(jìn)行著五體軍艦的開(kāi)發(fā)研究,包括五體防空護(hù)衛(wèi)艦、五體航空母艦及五體高速補(bǔ)給哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文艦等m。圖1.4是其對(duì)五體軍艦的設(shè)想之一。 美國(guó)軍方也提出了47.7kn航速的“藍(lán)騎士”號(hào)三體巡邏艇,30kn以上航速驅(qū)逐艦以及32kn航速25700t的“海妖”號(hào)大型三體戰(zhàn)艦構(gòu)想,并長(zhǎng)期派員參與英國(guó)“人魚(yú)海神”號(hào)實(shí)船試驗(yàn)。意大利對(duì)高速三體船也進(jìn)

5、行了較為系統(tǒng)的理論計(jì)算和模型試驗(yàn)研究,研究?jī)?nèi)容包括片體布局優(yōu)化、興波阻力特性、波浪中的運(yùn)動(dòng)特性以及船體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等。北朝鮮則對(duì)2500t級(jí)的高速三體船的片體布局和快速性進(jìn)行了研究,采用了模型試驗(yàn)、理論計(jì)算與分析的方法,研究船型與護(hù)衛(wèi)艦相近。法國(guó)、日本、加拿大等其它國(guó)家也對(duì)多體船表現(xiàn)出極大的興趣,相繼提出了各種未來(lái)多體戰(zhàn)艦的設(shè)想和方案。最近幾年,三體船和五體船的研究開(kāi)發(fā)進(jìn)一步成為許多國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議的熱點(diǎn)議題,2004年,英國(guó)皇家造船工程師學(xué)會(huì)還專門(mén)召開(kāi)了主題為“Design &OperationofTrimaraIl Shjps”的國(guó)際會(huì)議。會(huì)議上,各國(guó)多體船研究領(lǐng)域的專家交流了當(dāng)前國(guó)際上三

6、體船和五體船研究的新進(jìn)展,涉及到英國(guó)三體護(hù)衛(wèi)艦“RV特里頓”號(hào)的試航結(jié)果評(píng)估、德國(guó)勞氏船級(jí)社開(kāi)發(fā)三體船設(shè)計(jì)規(guī)范、五體船型在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展等專題。在國(guó)內(nèi),20世紀(jì)90年代,哈爾濱工程大學(xué)、上海交通大學(xué)、武漢海軍工程大學(xué)和上海船舶科學(xué)研究所等幾乎同時(shí)開(kāi)始對(duì)三體船的研究,主要是船型及水動(dòng)力方面,但為數(shù)不多,初步了解了三體船在興波阻力、耐波性方面的優(yōu)越性。至于對(duì)五體船的研究就更少了。最近幾年,隨著多體船引起了造 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文為了防止在計(jì)算時(shí)因?yàn)槌霈F(xiàn)船模頂部上浪而導(dǎo)致計(jì)算的發(fā)散或解的不真實(shí)性,在建模時(shí),船模的主體和側(cè)體的干舷都被進(jìn)行了適當(dāng)?shù)募痈吒倪M(jìn)。三體船模的濕表面積為6929mm2,

7、設(shè)計(jì)排水體積為16680mm3。試驗(yàn)三體船模主體和側(cè)體的具體形狀如圖3.1所示。 主體側(cè)體論文研究的是船模以某以恒定航速在靜水中航行時(shí),船體所受的水動(dòng)力和船體周?chē)牧鲌?chǎng)情況。所以,建立直角坐標(biāo)系0.XYZ,如圖3.2所示。其坐標(biāo)原點(diǎn)O位于三體船模主體中橫剖面、中縱剖面和設(shè)計(jì)水線面三個(gè)平面的交點(diǎn)上,坐標(biāo)軸x指向船首,坐標(biāo)軸Z垂直向上,Y軸在設(shè)計(jì)水線面上,與x軸、z軸正交,并且滿足右手螺旋定則。36 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文的船體各站的三維橫剖面面域。在GAMBIT中,將三維橫剖面上必要的點(diǎn)連接生成線,多條線封閉連接生成面,再由多個(gè)面封閉組合生成體,最后經(jīng)過(guò)體的合成生成一個(gè)完整的三體船模實(shí)體模型

8、。如圖3.4所示。 在完成了船模的實(shí)體建模以后,就要建立控制域了?？刂朴虼笮〉倪x擇將會(huì)影響到數(shù)值模擬的真實(shí)性和計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,因此必須要根據(jù)模型的尺度及計(jì)算的要求建立恰當(dāng)?shù)目刂朴?。其選取原則是控制域邊界對(duì)船模周?chē)鲌?chǎng)的影響可以被忽略的最小域?？紤]到自由表面的存在,控制域被分為上、下兩部分,上部分的流體為空氣,下部分的流體為水。由于空氣的粘性和密度遠(yuǎn)小于水的粘性和密度,所以對(duì)船體的阻力影響是極小的,可以忽略:而且本文主要關(guān)注的是船體在靜水中航行時(shí),水流場(chǎng)的變化情況和所產(chǎn)生的阻力,所以,控制域中的空氣部分就沒(méi)有必要選取得過(guò)大,這樣既有利于減小控制域的范圍,又有利于減少網(wǎng)格數(shù),縮短計(jì)算時(shí)間;當(dāng)然也

9、不宜太小,使之對(duì)計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生不利影響。參考有關(guān)船舶粘性繞流cFD計(jì)算的文獻(xiàn),本文將控制域選定為一長(zhǎng)方體。該長(zhǎng)方體的長(zhǎng)為5倍的船長(zhǎng),即13150mm,其中船首距控制域入口為1.25倍船長(zhǎng),船尾距控制域出口為2.75倍的船長(zhǎng);寬為2倍的船長(zhǎng),即5260IIun: 哈爾濱工程大學(xué)碩士學(xué)位論文計(jì)算時(shí)間,提高計(jì)算的效率。到目前為止,商業(yè)CFD軟件FLUENT在船舶繞流模擬中的應(yīng)用還正處于起步階段,因此,在一些模型參數(shù)的設(shè)定上采用的都是FLuENT的默認(rèn)設(shè)置,而這些默認(rèn)值是否恰當(dāng)還有待大量的計(jì)算研究分析。完成所有的相關(guān)設(shè)定以后,就可以用入口的流動(dòng)初始條件初始化整個(gè)流場(chǎng)的解和進(jìn)行求解計(jì)算了。在求解計(jì)算的過(guò)程中,可以通過(guò)檢查變量的殘差、統(tǒng)計(jì)值、力的收斂趨勢(shì)等,如圖3.