大型艦船流場的數(shù)值計(jì)算.pdf

1、近年來,隨著經(jīng)濟(jì)體系的全球化,國際海運(yùn)、船舶工業(yè)得到了大力的發(fā)展,很多國家都在積極投入對船舶設(shè)計(jì)的研究,其中船舶繞流場的研究也得到了很大的重視,通過提高船舶水動(dòng)力性能和空氣動(dòng)力性能預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確性,來提高設(shè)計(jì)效率、縮減投入成本。由于船模試驗(yàn)周期長、費(fèi)用高、難以得到局部流場的細(xì)節(jié)信息,同時(shí)因?yàn)槌叨刃?yīng),特別是大型船舶的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),船模實(shí)際上并不能真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)船的繞流場情況,存在較大的局限性,使得船舶CFD技術(shù)成為有效輔助船舶線型設(shè)計(jì)和船舶繞流場

2、研究、提高船舶工程產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、縮短研究周期、減少人力物力的投入的有力工具。
　　 大型艦船在海洋中航行時(shí)要求有良好的穩(wěn)定性、快速性和安全的甲板氣流場特性,分析其水動(dòng)力性能和空氣動(dòng)力性能就顯得尤為重要。本文借助船舶CFD技術(shù)主要研究了俄羅斯某大型艦船RCSM船型船尾型線對船舶阻力性能的影響、船體水動(dòng)力流場和空氣動(dòng)力流場。
　　 首先,本文為提高母型船阻力性能,以船體阻力性能為優(yōu)化對象,參考同類船舶船尾,利用Tribon

3、-Lines模塊生成兩種與母型船相似的帶有不同方形尾的方案船型,并通過商用CFX軟件對方案船型進(jìn)行了粘性繞流場數(shù)值模擬計(jì)算和分析,研究了船尾線型的改變對船舶阻力性能的影響。研究結(jié)果表明,在以船體阻力性能為優(yōu)化對象時(shí),RCSM-Ⅱ船型在相同的航速下阻力低、消耗的功率小、形狀效應(yīng)小、粘壓阻力和摩擦阻力也相對較小,這說明RCSM-Ⅱ船型的推進(jìn)效率較高,尾流場特性較好,其方形尾比較適用于高速船舶。
　　 然后,文中利用CFD軟件對RCS

4、M船型的水動(dòng)力性能進(jìn)行了預(yù)報(bào)和分析。在ICEM里建立二維船體剖面數(shù)值水池和三維船體數(shù)值水池,并對計(jì)算域進(jìn)行全結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。應(yīng)用滑移網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù),在Fluent軟件中對計(jì)算模型各工況進(jìn)行船體受迫振蕩數(shù)值模擬計(jì)算,給出了振蕩運(yùn)動(dòng)的速度矢量分布,以及船體相關(guān)方向的受力和力矩的時(shí)歷曲線,并通過理論公式計(jì)算得到船體的附加質(zhì)量和阻尼系數(shù)。計(jì)算結(jié)果證明了該方法能夠很好的用于船舶的水動(dòng)力性能預(yù)報(bào)和繞流場的研究分析;同時(shí)在模型建立,網(wǎng)格劃分(特別是

5、滑移網(wǎng)格和動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)),邊界條件處理等方面積累了一些經(jīng)驗(yàn),為進(jìn)一步利用CFD方法研究船舶的水動(dòng)力性能和繞流場打下了良好的基礎(chǔ)。
　　 最后,利用CFD軟件模擬了RCSM船型甲板氣流場的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),主要針對艦船在迎風(fēng)直航以及斜風(fēng)航行中無橫搖和橫搖運(yùn)動(dòng)兩種狀態(tài)下進(jìn)行計(jì)算分析。文中首先利用CFD軟件模擬了船體在無橫搖運(yùn)動(dòng)情況下迎風(fēng)直航以及斜風(fēng)航行中的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),通過對計(jì)算結(jié)果可視化處理后得出了關(guān)鍵點(diǎn)速度值、流場壓力云圖、湍流強(qiáng)度云圖、速度

6、矢量圖等氣流場數(shù)據(jù)和物理量,并針對關(guān)鍵區(qū)域探討了氣流場分布、湍流活躍區(qū)域;然后通過CFD動(dòng)計(jì)算域和滑移網(wǎng)格技術(shù)計(jì)算了艦船產(chǎn)生橫搖運(yùn)動(dòng)時(shí)在迎風(fēng)直航以及斜風(fēng)航行中甲板附近氣流場的變化,并與無橫搖運(yùn)動(dòng)狀態(tài)甲板氣流場進(jìn)行了對比,分析了關(guān)鍵區(qū)域氣流場分布、湍流活躍區(qū)域。計(jì)算分析結(jié)果顯示甲板氣流場在船體靜態(tài)(無搖動(dòng))和搖動(dòng)后的氣流場的速度分布是不一樣的,特別是在船體角速度最大的平衡位置。當(dāng)船體發(fā)生搖動(dòng)后,甲板氣流場分布將隨橫搖角θ(t)的變化而發(fā)生