基于CFD的混凝土轻舟船型阻力性能优化.pdf

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1、第32卷第2期江苏船舶Vo1．32No．22015年4月JIANGSUSH1PApr．2015基于CFD的混凝土轻舟船型阻力性能优化葛斌，胡坚城，黄蕴钰，章颜(同济大学土木工程学院，上海200092)摘要：本项目旨在优化参加ASCE(美国土木工程师协会)主办的混凝土轻舟项目的船型。首先确定了3个研究参数，分别是船长、型宽、最大横剖面位置，并进行历年参赛学校设计书的统计分析，得出参数的大致范围。其次结合现有的船舶设计理论，进一步缩小研究范围。最后利用CFD(ComputationalFluidDynamics)方法，采用计算流体动力学软件fluent，以各种离散化的数

2、学方法为基础进行计算机数值模拟和分析，对混凝土轻舟在水流中的运动进行了二维数值模拟，选定距船头3、3．1、3．2、3．3m处为截面最宽处位置的24组模型进行阻力分析，并与统计和理论分析进行了比较，得到了船型阻力优化后的参数值。关键词：船体线型；参数最优化；船舶流体动力学；船舶阻力；fluent软件；混凝土轻舟中图分类号：U661．3文献标志码：A比、最大横剖面位置、横剖面形状以及船首船尾的构0引言造。由于本文只限于二维船型设计分析，故以船长、混凝土轻舟是ASCE主办的美国赛中提出的一型宽与最大横剖面位置为主要研究对象。项比赛课题，在限定其长度不得超过6．7m，宽度不

3、1．2主尺度的考虑与选择得超过0．9m的前提下，进行双人、4人200m或1．2．1统计分析与初步选择600m划行等比赛，从速度、密度、转角灵敏度、稳定首先，作者对其他各参赛学校的从2000年一性等几个方面衡量混凝土轻舟性能。2013年共75艘船型进行了研究与统计，关注的重本文以2014年同济大学混凝土轻舟队在ASCE点在于船长、型宽与长宽比。统计发现，各学校采用混凝土轻舟赛中的参赛轻舟为优化对象，欲在现有的船型尺寸在一定范围内变化，特别是取得优异成基础上对轻舟的船型做进一步改进。影响轻舟速绩的船型主尺度具有一定规律。可得出以下结论：度、密度、灵敏度和稳定性等几大性能

4、的主要因素有(1)排名靠前的船长L：6．0—6．8m；排名靠前船型、船重、水流条件等⋯，其中船型是重中之重，的型宽：0．66～0．81m。而阻力最小的船体外形确定又是船型设计首先要追(2)L／B的取值在8．0～8．8较合适；当L／B>求的目标¨2J。影响船型阻力的因素可分为横剖面10．0时，普遍成绩较差。这些数值是基于1O多年的参赛学校的成绩统面积、设计水线、横剖面形状、船首船尾形状等，而本计值，因此具有一定的可靠性，本文所研究的范围尺文将以船长、型宽和最大横剖面位置作为研究对象。度也是在此基础上。但由于此范围较宽泛，为获取1船舶设计理论分析更精确的值，本文进行了深

5、入的理论分析。1．2．2船长的确定1．1主要技术性能的分析考虑到船身越长，造价越高，且转弯性能越差，轻舟比赛是一项竞速性比赛，船型对耐波性与而比赛中弯道所耗费的时间约占总耗时的1／3。为稳定性的要求不高，而对快速性提出了极高的要求，了减少转弯带来的不利影响，决定在上述结论上选因而设计时主要考虑船体的快速性。解决快速性问择最小船长作为研究对象，即选定船长为6m。题主要是选择合适的主尺度，优化船型，降低涡流阻1．2．3型宽和最大横剖面位置的确定力(形状阻力)⋯。1．2．3．1型宽曰在船型设计中，影响快速性的因素主要有：长宽(1)傅汝德数根据以往的比赛成绩，排名靠前的轻舟

6、划行基金项目：混凝土轻舟船型优化设计同济大学大学生创新实践{J200m直线距离所需时间t一般为90—120S。可得练计划第8期(SITI~)收稿日期：2015-01-25傅汝德数的范围为：Fn=—=0．223～0．297，其作者简介：葛斌(1993一)，男，本科，土木工程专业。、，gL1O第32卷3大基本守恒定律。如果流动处于湍流状态，系统l＼0—·还要遵守附加的湍流控制方程。控制方程是这些守、1●一T恒定律的数学描述。船宽～曝。■一O81mO36—▲一078m嗦—◆-075m——、，一，一．O35。·+O72m媸—R—÷÷一O69m岛、—066m皿O34，＼＼—一

7、捧；／4．2湍流模型本文选用标准k-8模型，具有数值稳定性好、求解压力梯度精确等优点，是目前船舶粘性流动和粘29331323334最大横剖面位置性水动力求解应用最广泛的湍流模型。注：总阻力一压阻力+粘性阻力，其中兴波阻压}5Ⅱ力的绝大部分，粘性阻力由摩擦阻力和涡流阻力构成4．3边界条件图4最大横剖面位置与总阻力的关系(1)人流边界条件：速度入口(velocityinlet)，模’拟水流速度为2．3m／s。_一(2)出流边界条件：由于控制域出口处离船尾j妇——————～。部较远，经过初步计算后发现出口处来流未受到船_船宽—-_08Im体的扰动影响，故可设为自由流边