基于数值水池的船舶波浪增阻及甲板上浪的数值模拟

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船舶在波浪中航行时,往往会由于波浪增阻而引起失速,同时波浪还将导致船舶运动和甲板上浪现象。为了设计具有优良航行性能的船舶并在波浪中安全航行,必须对船舶在波浪中航行的增阻以及运动、甲板上浪等给出有效的预报。本文使用CFD软件包Fine/marine建立了三维数值水池,并进行网格收敛性验证;对三维浮体的甲板上浪和S175集装箱船的波浪增阻进行数值模拟验证;在此基础上,数值计算了14000TEU集装箱船在规则波与不规则波中的波浪增阻,并对不同工况的波形图进行了监测;最后模拟了14000TEU集装箱船在规则波与不规则波中的甲板上浪现象,并在船首,挡浪板,船尾等多处设置压力监测点,监测船体的受力,在波浪场设多个浪高仪监测波面变化。通过以上工作主要得到以下结论:(1)基于CFD软件建立数值波浪水池时,会出现波浪衰减和相位差等现象,在进行网格收敛性验证之后得到了比较稳定的波浪,为后续模拟工作奠定了基础。(2)在三维浮体甲板上浪和S175集装箱船的波浪增阻验证中,本文数值方法的计算结果与试验值吻合较好,验证了本文数值方法计算甲板上浪和波浪增阻的有效性。(3)通过分析14000TEU集装箱船在规则波中波浪增阻的数值结果,发现了航速与波长对增阻的影响规律。航速越高船行波传递越远、波峰越大、开尔文波系更明显;在波长λ/LPP=1.0附近垂荡运动响应变化明显,并且增阻系数最大,航速越大波浪增阻系数越大。在不规则波中,规则波运动响应RAO换算值与对应频率下的经过谱分析得到的不规则波运动响应值吻合较好;将Fine/marine模拟得到的不规则波增阻值与基于线性叠加原理积分得到的不规则波增阻值进行对比,发现航速较低时两者误差较小,航速高时两者误差变大。(4)通过分析14000TEU集装箱船在规则波中甲板上浪的数值结果,探索出甲板上浪机理。航速与波高越大,上浪越严重;船体的垂荡与纵摇运动对甲板上浪影响较大,不同波高与航速也会对上浪产生影响;船首甲板跟挡浪板会受到砰击压力,船尾所受压力变化较稳定,挡浪板根部中间位置所受砰击压力最大。在不规则波中,上浪的周期变长,并且随机性更大,砰击压力变化无规律,船尾压力变化也呈不规则变化。
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