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M船型水气两相流场特性研究

陈辉  
【摘要】:M船型以其底部形状形似字母M而得名。它主要由三个部分构成--中体、升力涵道以及刚性围壁。“中体”是船体的主干部分,它采用了深吃水尖削型船首和浅吃水平直尾部线形,提供绝大部分的排水浮力。“升力涵道”位于中体两侧,作用是为船提供水浮力和气流升力。“刚性围壁”用于遮挡住中体产生的首波,并将首波能量导入涵道,使得舷内压力梯度趋于均匀。舷外则采用平直面,以使舷外压力梯度差最小,并能减少船行波。美国海军以该船型为基础,采用并行双M结构建造一艘M80军舰。具有速度高,兴波小,操纵性好等优点。国内关于M船型研究较少。 计算流体力学(CFD)的发展为M船型的阻力数值模拟研究工作提供了可靠而又有效的方法。运用数值模拟方法研究M船在自由液面下的受力,获得不同速度下阻力,升力。对船壳表面的压力分布,两相分布及自由液面形态等进行分析。找出在不同速度下的规律,为优化船型提供依据。同时验证数值方法的准确性及有效性。 通过水池试验,测得模型在静水中直航的阻力,倾角及升沉等相关试验数据。根据M船型线图,在gambit中建立数值模型。采用商业软件fluent对模型进行数值计算,得到船模计算数据。将数值模拟所得结果与试验进行对比分析。在数值方法上,运用VOF方法来模拟自由液面。通过RNGк-ε模型来封闭RANS方程组进行求解。 得出结论: 1)通过不断的尝试,本文中的计算方法能够模拟出在Fr▽3情况下船模阻力与升力。并且有一定的准确性。用fluent来模拟该船型在静水中低速下的阻力,具有一定的可行性。 2)本文计算中,空气能够通过M船底隧道,但M船主要升力还是来至于船底表面的动压。隧道中压力较小,为M船升力贡献不大。 3)在Fr▽1是M船处于排水型状态。Fluent计算的阻力,升力都与试验相符,误差率很小。因此,本文中的方法也可用于其它排水型船的两相流研究。尤其是研究球鼻艏,兴波等方面。 4)数值模拟中的浅水效应对船模有较大影响,在船尾波形中有所体现。在速度为5m/s,6m/s时,V1.2gh,横波系消失,只存在散波系。该现象与实际情况趋势一致。 5)当Fr▽3时,数值计算阻力相当不准确。但通过对计算流场的分析,船模达到阻力峰值后,随着速度增加,船底出现气垫,从而导致其阻力开始下降。 对M船型进行了较基础的研究,为M船在高速情况下数值模拟提供参考。


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