沿倾斜河床航行船舶水动力数值计算

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1、上海交通大学硕士学位论文沿倾斜河床航行船舶水动力数值计算硕士研究生：张科学号：1110109187导师：邹早建教授申请学位：工学硕士学科：船舶与海洋结构物设计制造所在单位：船舶海洋与建筑工程学院答辩日期：2014年3月授予学位单位：上海交通大学万方数据DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityfortheDegreeofMasterNUMERICALCALCULATIONOFTHEHYDRODYNAMICFORECSONASHIPTRAVELLINGALONGASLOPINGRIVERBEDCandidate：ZhangKeStude

2、ntID:1110109187Supervisor：Prof.ZouZaojianAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringDesign&ManufactureofNavalSpeciality：ArchitectureandOceanStructuresSchoolofNavalArchitecture,OceanAffiliation：andCivilEngineeringDateofDefence：March,2014Degree-Conferring-Institution：ShanghaiJiaoTongUniversity万方数据万

3、方数据万方数据上海交通大学硕士学位论文沿倾斜河床航行船舶水动力数值计算摘要船舶水动力性能可以分为快速性、耐波性和操纵性，其中船舶操纵性对船舶航行安全性尤为重要。长期以来，由于船舶操纵问题而导致的船舶碰撞、触底等海事事故时有发生；特别是近十年来，随着现代航运业的发展，一方面使得船舶不断向大型化发展，另一方面使得船舶在更多类型的限制水域中航行，从而使得船舶操纵变得更加困难，发生海事事故的危险性也越来越大。近十年来，随着国际海事组织（IMO）“船舶操纵性标准”的颁布实施和人们安全意识的提高，船舶操纵性逐渐引起了人们的关注并越来越受到重视。船舶在限制水域中航行时的水动力性能与其在无限水域中航行时

4、有很大区别，尤其是在浅窄航道中，由于有限水深以及岸壁的存在，船舶会受到浅水效应以及岸壁效应的影响，从而引发更严重的操纵性问题。IMO颁布的“船舶操纵性标准”明文规定，在船舶设计初期，必须对其操纵性能进行预报和评估，但其针对的只是在无限水域中的情况。所以，为了保证船舶在限制水域中航行的安全性，有必要对船舶在限制水域中的操纵性能进行研究。上世纪末以来，计算机技术和计算方法有了很大发展，从而为计算流体动力学（CFD）方法在船舶水动力学问题中的应用打下了基础。经过这些年的发展，在船舶设计阶段采用CFD方法对船体粘性绕流场进行数值模拟并计算相关水动力已能够取得比较好的结果，CFD方法逐渐成为一种研究

5、船舶操纵性的可靠而有效的手段。以往，船舶操纵性研究基本都采用约束船模试验法，该方法耗时长，费用高，且适应性差。而CFD方法不仅克服了模型试验法的缺点，还能够对船体粘性本文得到国家自然科学基金项目（批准号：51061130548）的资助。I万方数据上海交通大学硕士学位论文绕流场进行更深入的分析并对船型优化提供指导。CFD方法可以与模型试验法相结合，进行数值预报验证，从而取得更准确的预报结果。本文针对船舶在限制水域中航行的情况，以大型集装箱船KCS船模为研究对象，采用基于有限体积法进行离散化的CFD通用软件FLUENT，通过求解雷诺平均N-S方程(RANS方程)，对船舶粘性流场进行数值模拟，

6、并对船舶所受水动力进行计算，以获得船舶水动力的数值预报结果。本文主要研究了船舶在限制水域中航行的三种情况：（1）船舶在具有倾斜水底以及存在单侧垂直岸壁的限制水域中作直航运动；（2）船舶在倾斜岸壁限制水域中作直航运动；（3）船舶在倾斜岸壁限制水域中作斜航运动。将以上三种情况下船体水动力的计算结果与相关经验公式或理论计算结果进行了对比，以研究CFD方法的有效性；同时，对船-岸距离、斜底或岸壁倾角、水深、航速、漂角对船舶水动力的影响进行了分析。本文所采用的CFD方法可以在一定程度上对船舶在限制水域中航行的水动力性能进行预报和评估，所得到的结果可以为船舶在限制水域中航行时的操纵与控制提供参考，从而

7、确保船舶安全航行。关键词：限制水域；水动力；船舶操纵性；计算流体动力学；数值计算II万方数据上海交通大学硕士学位论文NUMERICALCALCULATIONOFTHEHYDRODYNAMICFORCESONASHIPTRAVELLINGALONGASLOPINGRIVERBEDABSTRACTShiphydrodynamicperformancecanbedividedintothreecategories,namel