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非定常操纵运动船体水动力数值计算

杨勇  
【摘要】:船舶操纵性主要研究的是船舶保持和改变其航速、航向及位置的能力,是船舶重要的航行性能之一,与船舶航行的安全性和经济性有着密切的联系。为了保证船舶航行安全,必须对船舶操纵性能进行预报。 预报船舶操纵性能的一种重要方法是数学模型(即船舶操纵运动方程)加计算机模拟的方法,采用该方法,需要确定操纵运动方程中的水动力导数。目前在确定操纵运动水动力导数方面,约束模型试验是公认为最可靠的方法,该方法由某种机构带动船模在水池中进行特定的运动,同时测定作用在船模上的水动力和水动力导数,之后建立船舶操纵运动数学模型,并用计算机求解数学模型,计算船舶在各种机动下的运动状态,得到用于表征其操纵性的特征参数。平面运动机构(PMM)是约束模型试验中功能较全面的一种试验装置,它可以测定各种速度导数、角速度导数、加速度导数和耦合导数。但是模型试验有其本身的缺点:试验费用高、周期长,不便于改变船型数据和船体几何形状进行操纵性优化设计,其试验结果也不宜用于不同浮态及装载条件下的操纵性能预报,而且尺度效应无法消除。 随着计算机科学技术的快速发展,计算流体动力学(CFD)技术应用于解决船舶操纵性问题已成为可能。通过应用CFD技术数值模拟约束模型试验的流场,求得作用在船模上的水动力和水动力导数,可以克服试验方法耗时、费用高的缺点,也便于通过修正船型及操纵装置对操纵性进行优化设计;而当把CFD技术应用于实尺度流场数值模拟时,能够避免尺度效应。 本文采用CFD方法数值模拟约束模型试验中PMM试验船体周围的粘性流场,计算船体所受的水动力和水动力导数,包括纯横荡运动和纯首摇运动;考虑到问题的复杂性,计算中忽略了自由表面兴波、附体、船体浮态改变等因素的影响。论文以KVLCC1大型油轮为研究对象,对深水和浅水中的PMM试验纯横荡运动及浅水中的PMM试验纯首摇运动粘性流场进行了数值模拟,计算了作用在船体上的横向力和首摇力矩,分析了航速、摇荡幅值和摇荡频率对水动力的影响,并分析讨论了非定常操纵运动船体周围流场特点;通过将计算结果与现有的试验数据进行对比,验证了本文方法的有效性。在此基础上,根据横向力和首摇力矩计算结果,计算得到了船舶操纵运动线性水动力导数。


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