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新型船艏对船舶流体动力及运动响应的影响特性研究

王芳  
【摘要】:舰船作为海上作战的重要平台必须具备优良的快速性、机动性和耐波性,直接关系到舰船的生命力及战斗力,是现代舰船非常重要的战技指标,作为舰船在波浪环境中综合航行性能最重要的快速性和耐波性,在舰船设计过程中应当引起足够的重视,因此如何在现有的船型设计环节改善和提升舰船的快速性和耐波性,是目前急需解决的技术问题。由于受到波浪、海风及海流等因素的影响,船舶在海上航行时不可避免地会产生横摇、纵摇、升沉以及波浪增阻等各种不利影响,剧烈的摇荡对舰船的适航性、安全性以及设备的正常操作、舰员的舒适性都会产生很大影响,因此急需探明舰船在波浪中的减阻、减摇机理。本文基于粘流理论的RANS方程,耦合求解船舶运动方程,开展了不同船首型式船舶静水中阻力性能、船舶在波浪中高速航行时受到的环境载荷与运动响应特性的数值预报,探讨了三种船首型式(复古型倒V型艏、带球鼻的KCS船首和前倾型船首)的阻力性能、耐波性能,重点分析了三种船首的各自优势及不足。选出阻力性能和耐波性能较优的船首型式作为母型船,为了进一步提高船舶在波浪中的减阻和减摇能力,基于计算流体力学理论,完成了水刀型船首、直立型船首和前倾型船首的改型设计,并完成改型船舶与母型船的水动力性能和运动性能对比分析,给出了船舶减阻、减摇改型设计的指导性方案。主要研究内容如下:本文以DDG1000为母型船,在只改变船首形状的前提下应用Solidworks软件设计出具有球鼻艏的KCS-DDG船模以及具有前倾型艏的YZ-DDG船模,基于计算流体力学软件Fine/Marine,在航速为0.9m/s、1.2m/s、1.8m/s、2.39m/s、2.99m/s和3.29m/s六个工况下,对三种不同船模在静水中的运动过程进行了数值模拟,开展了船体阻力和运动响应等相关计算。通过对计算结果对比进行分析可知,倒V型船首在静水阻力性能以及纵摇运动特性均优于另外两种船首,说明DDG1000的倒V型船首具有一定的减阻减摇功效。但其升沉量幅值较其余两种船首形式的大,而YZ-DDG船首的升沉量最小。本文还重点研究了三种不同船首形式的船模在迎浪规则波中的水动力性能。计算选取的波高为8cm(实际对应5级海况的波高),波长与船长比值为0.75、1、1.5、2、3、4和5,航速为1.8m/s和2.99m/s。基于Fine/Marine完成了在上述计算工况下的水动力计算,通过MATLAB自编程软件进行处理分析计算结果可知,在高速长波工况下,DDG1000平衡位置处阻力较小,但其阻力波动值较大,其阻力峰值小于KCS-DDG但大于YZ-DDG船模。且DDG1000的升沉运动响应比另外两者大,说明逆艏型船首对船舶的升沉运动有不利影响,但在高航速短波工况下运动时,DDG1000船首具有一定的减纵摇功效,在长波情况下这种优势被前倾型艏的YZ-DDG取代。故综合来看,YZ-DDG船模的综合性能较好,恰好可以弥补DDG1000船首的劣势,且其在中低速航速下的纵摇运动响应最小。在此基础上,本文以DDG1000为母型船设计了三个改型方案。方案一将船首前端改为艏柱从与甲板的相交处直接延伸至水线以下的舭龙骨处,方案二将船首前端改为直立型艏并在水线以下区域加设椭球状附体,方案三将船首前端改为前倾型艏并在水线以下区域加设椭球状附体。应用计算流体软件Fine/Marine对三种改型方案在航速为2.99m/s的静水中及波长比船长为1.5、波高为8cm的迎浪规则波中分别进行了相应数值模拟,然后对数值仿真计算结果进行分析对比,并得出结论:在相同计算工况下,改型方案二在静水阻力和规则波中的阻力均比其他改型方案的小,且改型方案二在规则波中的升沉和纵摇幅值均小于原型和另外两个改型方案。这说明改型方案二的阻力性能和耐波性均最优。


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