基于FLOW3D的对遇两船间水动力作用数值模拟研究

摘要

近几十年随着国际航运业的快速发展，船舶朝着大型化高速化发展，港口吞吐量日益增加。航道中会遇船舶密集，会遇过程中发生船舶安全事故的可能性也大量增加，而船间水动力作用引发的船间效应和岸壁效应正是诸多水上交通事故的重要原因之一。研究两船对遇船间水动力作用对指导船舶操纵和避碰有重要意义。本文采用数值模拟的方法，开展了船舶在无限水域和限制水域航道中对遇水动力作用的研究。 本文运用基于RANS方程的计算流体力学（CFD）工具FLOW3D软件，运用RNG k-ε湍流模型和GMRES压力求解器，进行了无限水域和限制水域航道中对遇两船的水动力作用数值模拟，研究了横向间距、船速、船舶吃水、水深、船型尺度等因素对船间水动力的影响规律，并构建了无限水域和限制水域对遇两船的横向水动力吸力峰值模型以及限制水域两对遇船舶纵向力吸力峰值模型。论文主要研究工作如下： （1）对FLOW3D软件运用的相关粘性流理论和数值方法进行介绍。依次介绍了控制方程、边界条件、网格等相关数学模型，重点分析了k-ε模型、k-ω模型、RNG k-ε模型三种湍流模型以及控制方程的离散和求解过程。 （2）以KVLCC2为研究对象，对开放水域深水航道中对遇两船的水动力作用进行数值模拟。首先进行了网格依赖性验证，选定了合适网格类型。其次对比k-ε模型、k-ω模型、RNG k-ε模型三种湍流模型，并选择了RNG k-ε模型为模拟计算的湍流模型。然后计算了不同横向间距、船速、船舶吃水、船型尺度工况的两船船间水动力，并分析了各种因素对船间水动力相互作用的影响规律。最后综合考虑横向间距、船速、船舶吃水、船型尺度各因素对船间水动力的影响，构建了无限水域两对遇的横向水动力吸力峰值模型。 （3）以KVLCC2为研究对象，对限制水域浅水航道中对遇两船的水动力进行数值模拟。首先计算了不同横向间距、船还、水深、船舶吃水、船型尺度工况的两船船间水动力，并分析了各种因素对船间水动力的影响规律和流场变化规律。其次综合横向间距、速度、水深、吃水、船型尺度大小各因素对船间水动力的影响，构建了限制水域对遇两船的纵向力吸力峰值模型和横向水动力吸力峰值模型。 本文通过RANS方程求解的CFD方法，对开放水域和限制水域航道中对遇两船水动力作用成功的进行了数值模拟。本文拟合的水动力峰值公式新增目标船吃水参数，更加准确的预报了开放水域和限制水域航道中对遇两船水动力峰值。拟合的公式有助于更全面的认识船间水动力的峰值变化，对减小碰撞等航行安全问题具有一定的参考价值。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1研究背景

1.1.2研究目的和意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1模型试验

1.2.2数值计算

1.3 本文研究的主要内容

第2章 数学模型

2.1 控制方程

2.1.1 质量守恒方程

2.1.2 动量守恒方程

2.1.3 湍流模型

2.2 边界条件

2.2.1 边界条件分类

2.2.2 边界条件设置

2.3 网格及FAVOR

2.4 数值计算

2.4.1 数值离散

2.4.2 数值求解

2.5 FLOW3D建模流程

2.6 本章小结

第3章 无限水域的两船对遇数值模拟

3.1网格依赖性验证模型

3.1.1模型设置

3.1.2计算结果

3.2湍流模型选择

3.2.1模型设置

3.2.2计算结果

3.3各种工况下的两船对遇数值模拟

3.3.1模型设置

3.3.2数据分析

3.4无限水域两船对遇横向水动力吸力峰值模型

3.4.1模型建立

3.4.2公式拟合

3.4.3模型验证

3.5本章小结

第4章 限制水域的两船对遇数值模拟

4.1各种工况下的两船对遇数值模拟

4.1.1模型设置

4.1.2数据分析

4.1.3流场分析

4.2限制水域中对遇两船的纵向力吸力峰值模型

4.2.1模型建立

4.2.2公式拟合

4.2.3模型验证

4.3限制水域中对遇两船的横向水动力吸力峰值模型

4.3.1模型建立

4.3.2公式拟合

4.3.3模型验证

4.4本章小结

第5章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文