船過船閘時的船舶水動力性能數(shù)值研究.pdf

1、水路運(yùn)輸在當(dāng)今全球貨物運(yùn)輸中占據(jù)了主導(dǎo)地位。對于一些存在水位落差的航道，船閘是用以保證船舶順利通過的關(guān)鍵水工建筑物。隨著船舶建造技術(shù)的發(fā)展以及貨物運(yùn)輸需求的增加，現(xiàn)代船舶出現(xiàn)了大型化的趨勢，船舶吃水和寬度日益增加，但是船閘閘室由于環(huán)境和經(jīng)濟(jì)的因素而很難進(jìn)行擴(kuò)建，這樣使得船舶尺寸日益接近船閘閘室的尺寸，船舶通過船閘變得更加困難。船閘水域與平常研究的限制水域如狹窄航道等相比有較大的區(qū)別：一方面，由于閘室和閘室外航道的寬度是不一樣的，這樣在船

2、舶進(jìn)出船閘過程中船舶受力會發(fā)生變化，致使發(fā)生碰撞和擱淺的可能性很大；另一方面，由于船舶與閘室水底和岸壁的間距非常小，船舶受到的水動力更加復(fù)雜和不可預(yù)知，這會使得船舶通過船閘時的操縱變得非常困難。另外，對于一些單線船閘，進(jìn)出船閘的航行船還會受到閘室口旁邊等候過閘的停泊船的影響?；谝陨蠋c因素，深入研究船舶進(jìn)出船閘過程中的船舶水動力學(xué)問題對于保證船舶安全地通過船閘具有非常重要的意義，這也是目前全世界船舶水動力學(xué)研究領(lǐng)域的前沿?zé)狳c問題之一。

3、
　　近年來隨著計算機(jī)科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，大內(nèi)存和高運(yùn)行速度的高性能計算機(jī)得到了廣泛的運(yùn)用，推動了船舶計算流體動力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）技術(shù)的進(jìn)步，大量的CFD應(yīng)用軟件被開發(fā)出來，現(xiàn)在已經(jīng)可以利用這些CFD軟件在計算機(jī)上模擬復(fù)雜的船舶運(yùn)動粘性流場并計算其水動力。為了研究船舶進(jìn)出船閘時的水動力性能，本文利用通用CFD軟件FLUENT并結(jié)合UDF（用戶自定義函數(shù)）功能進(jìn)行二次開發(fā)，通過求

4、解雷諾平均N-S方程（RANS方程），對船進(jìn)出船閘過程中的船舶粘性繞流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并計算了整個過程中作用在船體上的水動力?；赗ANS方程的求解來計算船舶粘性水動力，關(guān)鍵是要采用合適的湍流模式和高質(zhì)量的計算網(wǎng)格。本文采用了適合于數(shù)值模擬限制水域中船舶粘性繞流場的RNG k??湍流模型；同時，采用了結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合的混合型網(wǎng)格，并對計算網(wǎng)格進(jìn)行了網(wǎng)格依賴性分析，綜合考慮不同網(wǎng)格的計算效率和模擬船舶粘性繞流場的精度，確定

5、了最適合模擬船舶進(jìn)出船閘時粘性流場的計算網(wǎng)格。在此基礎(chǔ)上，通過UDF定義船舶的運(yùn)動軌跡，采用軟件中的鋪層（Layering）動網(wǎng)格方法并運(yùn)用滑移交界面技術(shù)模擬船舶進(jìn)出閘室的運(yùn)動，計算出每一個時間步作用在船體上的水動力，最終得到了船舶進(jìn)出船閘整個運(yùn)動過程中作用在船體上的水動力和力矩的時歷曲線。
　　本文利用CFD軟件FLUENT，對以下幾種情況下船舶粘性流場進(jìn)行了數(shù)值模擬并計算得到船舶水動力：
　?。?）船過船閘數(shù)值計算方法的

6、驗證。根據(jù)比利時根特大學(xué)和弗蘭德水力學(xué)研究中心公布的基準(zhǔn)模型試驗數(shù)據(jù)，以12000 TEU集裝箱船和某型散貨船為研究對象，計算中計算區(qū)域的設(shè)置與模型試驗一致，在進(jìn)行網(wǎng)格依賴性分析后，數(shù)值模擬了12000 TEU集裝箱船進(jìn)出第三組巴拿馬船閘和某型散貨船進(jìn)入比利時澤布呂赫港Pierre Vandamme船閘的工況，計算得到了整個過程中的船舶水動力和力矩的時歷曲線，并與模型試驗結(jié)果進(jìn)行了比較，驗證了本文采用的數(shù)值計算方法的有效性。
　　

7、（2）船舶通過船閘水動力影響因素的數(shù)值研究。以12000 TEU集裝箱船為研究對象，數(shù)值模擬12000 TEU集裝箱船進(jìn)出第三組巴拿馬船閘時的粘性流場。計算得到了不同航速、水深和偏心距條件下船舶進(jìn)出第三組巴拿馬船閘時的船舶水動力時歷曲線，發(fā)現(xiàn)了航速、水深和偏心距對船舶進(jìn)出船閘時所受粘性水動力和力矩的影響規(guī)律；還計算得到了船舶從湖一側(cè)和從海一側(cè)進(jìn)出船閘時船舶水動力時歷曲線，比較了兩種航行方式下船舶水動力的差別；隨后計算得到了不同引墻形狀、

8、引墻夾角和閘室水底高度差條件下船舶進(jìn)出第三組巴拿馬船閘時的船舶水動力時歷曲線，發(fā)現(xiàn)了引墻結(jié)構(gòu)對稱性、引墻夾角和閘室水底高度差對船舶進(jìn)出船閘時所受粘性水動力和力矩的影響規(guī)律，研究結(jié)果可以為船閘結(jié)構(gòu)形狀的設(shè)計提供指導(dǎo)。
　?。?）極淺水條件下船舶通過船閘的水動力數(shù)值研究。以某型散貨船為研究對象，數(shù)值模擬了其在極淺水條件下（水深吃水比h/T小于1.2）進(jìn)入比利時澤布呂赫港Pierre Vandamme船閘的情況，計算得到了不同航速、偏心

9、距和水深條件下船舶水動力的時歷曲線。通過對計算結(jié)果進(jìn)行分析研究，發(fā)現(xiàn)了在極淺水條件下船舶水動力受航速、偏心距和水深影響的變化規(guī)律。
　?。?）停泊船對船舶通過船閘時水動力影響的數(shù)值研究。以某型散貨船為研究對象，對受閘室口等候過閘的停泊船的影響下的船舶進(jìn)出比利時澤布呂赫港Pierre Vandamme船閘時的粘性流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，并預(yù)報了船舶進(jìn)出船閘過程中作用在航行船和停泊船上的水動力時歷曲線，比較了船-船、船-船閘相互作用水動力

10、的大小。通過計算和比較不同航速、水深、船-船橫向間距和停泊船縱向位置下作用在航行船和停泊船上的水動力，給出了航速、水深、船-船橫向間距和停泊船縱向位置對作用在航行船和停泊船上水動力的影響規(guī)律。
　?。?）航行船與停泊船水動力相互作用數(shù)值研究。前文研究發(fā)現(xiàn)船舶通過單線船閘時與等候過閘的停泊船的水動力相互作用基本上不受閘室結(jié)構(gòu)的影響，因此過閘船舶與等候過閘的停泊船之間的水動力相互作用可以看作淺水中航行船與停泊船的相互作用。本文專門對航

11、行船與停泊船相互作用的三維非定常粘性流場進(jìn)行了數(shù)值分析，計算了停泊船上受到的水動力，通過將計算結(jié)果與經(jīng)驗公式預(yù)報值和實驗結(jié)果進(jìn)行對比，驗證了本文采用的數(shù)值計算方法的有效性。最后，計算了不同水深、船-船橫向間距、停泊船離岸距離和航行船離岸距離以及不同岸壁形狀條件下停泊船上受到的水動力，并對計算結(jié)果進(jìn)行了分析，得出了以上幾種因素對停泊船受到的水動力作用的影響規(guī)律。
　　本文采用動網(wǎng)格技術(shù)并選取RNG k-ε湍流模型，通過求解非定常RA

12、NS方程，對各種因素影響下船舶通過船閘過程中的粘性流場及水動力和航行船與停泊船水動力之間的水動力相互作用進(jìn)行了數(shù)值研究，計算得到了整個運(yùn)動過程中船舶水動力和力矩隨航行船位置的變化曲線，發(fā)現(xiàn)了不同因素對船舶水動力的影響規(guī)律。本文的數(shù)值方法能夠比較準(zhǔn)確地預(yù)報船舶通過船閘時作用于船體上的水動力，揭示船舶水動力隨船速、水深、偏心距、船閘結(jié)構(gòu)形狀和停泊船位置等因素的變化規(guī)律，這對于研究船閘水域內(nèi)船舶安全通航有著重要的意義，也能夠為船閘設(shè)計提供一定