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基于CFD的大型船舶球艏线型设计比较研究

高慧颖

   面对能源危机及持续的经济危机,各国加快开展新船型研究来减小船舶阻力。本文基于球鼻艏的减阻节能效果,选取了四条带有不同球鼻艏的船型,应用CFD数值模拟的方法预报船体阻力和船舶粘性绕流场,通过对数值计算结果的比较分析得出有利于船舶阻力性能的球艏线型,为局部优化船体型线提供参考。 本文利用高度集成化的Tribon系统、可视化绘图软件Auto CAD和CFD通用前处理软件ICEM联合建模的方法来建立船体模型。采用分块结构化网格的方法对具有球艏方艉的复杂大型船舶进行网格划分,并讨论了网格数量和时间步长对收敛过程的影响,通过大量的试验得到了一套既省时又能得到较准确结果的网格分布,以及数值计算过程中的一系列时间步长改变的方法。首先选取一条带有实验数据的球鼻艏船型进行验证分析。应用商用CFD软件CFX对船舶粘性绕流场进行数值模拟,并将阻力计算结果与试验值和理论计算值进行对比分析,结果表明数值结果与试验值比较接近,误差在10%之内;与理论值差距较大,误差在10%-30%之间。从自由表面分布图和桨盘面处速度分布图中可以看出,VOF方法能够比较精确地模拟自由面和伴流,具有一定的准确性。 然后再选取三条与算例船型相似的带有不同球鼻艏(埋首型、普通型和上翘型)的船型进行粘性绕流场的数值模拟。为了使计算结果具有可比性,将三条新船主尺度经过仿似变换变成与算例船型相同的尺寸。计算结果表明:在相同航速下,低速时:上翘型大球艏船型比埋首型和普通型小球艏船型兴起的波浪稍大些;高速时:上翘型大球艏的兴波最小。上翘型球鼻艏船型较埋首型和普通型小球艏船型周围流场均匀;普通型小球艏和上翘型大球艏船型的艉部出现了明显的“虚长度”,并且随着航速的增加“虚长度”加长,从而减小了剩余阻力;阻力计算结果表明低速段(Fr<0.23)时,上翘型大球艏船体阻力值介于埋首型和普通型小球艏之间;而当Fr>0.23时,上翘型大球艏阻力值最小,埋首型球艏阻力值最大。 本文中由数值计算结果可以看出不同形式、不同尺寸的球鼻艏对船体阻力及流场的不同影响,为从有利于阻力性能的角度来优化船舶局部型线提供一种行之有效的方法。……   
[关键词]:球鼻艏;CFD;结构化网格;阻力;船型优化
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:哈尔滨工程大学2010年