集装箱船几何建模以及深水下蹲数值预报开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

船舶快速性是船舶重要的性能之一，包括阻力和推进两个方面，其中阻力性能是评价船体型线设计优劣的基本性能。而船舶在航行的过程中，会伴有下蹲现象，即下沉和纵倾，这对其阻力性能有一定的影响，特别是对于高速船而言，下蹲现象更为明显。浮态的变化会使船体的湿表面积发生改变，通常导致船的阻力增大，因此有必要对船体的下蹲现象进行规律和机理方面的研究。特别是在船舶设计初始阶段，对其阻力性能进行预估，有利于快速选择最优船型，缩短设计周期。

研究船的阻力性能一般有两种手段，一是试验方法，二是数值计算方法。一般来说试验方法能获得较可靠的船舶阻力性能曲线，但是需要大量的试验仪器，且准备时间长、成本高，不满足快速预报船舶阻力性能的要求。近三四十年以来，数值计算方法得到迅猛的发展，已经成为研究船舶阻力性能的重要手段之一，其计算精度达到工程应用的要求，误差一般在10%以内。势流理论是船舶科技工作者早期计算船舶兴波阻力所采用的普遍方法，特别是基于此理论开发的三维面元数值计算方法，在计算精度上较其它方法（如切片理论和基于细长体理论的方法）具有一定的优势。然而，由于忽略了粘性的影响，基于势流理论的方法不能预报船体受到的摩擦阻力。基于粘性流理论的方法在这方面具有优势，特别是近二十年来基于求解rans方程的数值方法取得重大突破，无论从计算精度还是计算效率上都得到很大改进，出现了大批相关的计算软件（如fluent、star-ccm 等），可用于工程计算。

本论文工作拟采用商业软件fluent对标准wigley船和集装箱船kcs的直航运动进行rans模拟，获得wigley船的阻力性能曲线，并在考虑下沉和纵倾的情况下计算集装箱船kcs的深水直航阻力。数值计算时，采用pointwise生成wigley船周围的计算网格并进行网格依赖性分析，采用软件hexpress生成kcs周围的计算网格，同时选择k-omegasst模型来近似涡粘系数及采用vof方法来捕捉自由液面。将数值计算结果与试验数据进行比较分析，以验证数值计算的有效性和可靠性。本论文的工作，在获得船舶阻力性能的同时，能通过分析船体周围水流现象以及其表面压力和粘性应力的分布特点来研究船舶阻力形成机理，并对相关现象给出科学解释。

2. 研究的基本内容与方案

（1）研究的基本内容：对标准船型wigley的直航运动进行rans模拟,生成三种疏密程度不同的计算网格,进行网格依赖性分析,通过分析船体周围水流现象以及其表面压力和粘性应力的分布特点来研究船舶阻力形成机理，并计算了kcs深水条件下直航运动时的下沉量和纵倾角。

（2）研究的目标：根据集装箱船kcs的型线图以及标准船型wigley的数学表达式，使用软件pointwise建立船体三维几何模型，并使用软件fluent计算kcs船深水直航条件下的下沉量和纵倾角以及wigley船的深水直航阻力。

（3）拟采用的技术方案及措施：首先学习使用pointwise软件建立集装箱船以及wigley船的三维几何模型，根据所建几何模型计算该轮排水量、浮心位置和湿表面积，并与设计值比较来验证几何模型的精度。然后学习使用软件pointwise在wigley船体周围生成结构化网格，根据要求生成三种疏密程度不同的网格，并学习使用软件fluent计算该船深水直航条件下的阻力，进行网格依赖性分析。学习使用软件hexpress在kcs船体周围生成非结构化网格，计算其深水直航时的下蹲。如生成的网格没有表现出收敛性，重新生成网格，直至达到要求为止。最后将计算结果与试验值比较；分析计算结果，包括阻力成分、船体上压力和粘性应力分布情况。

3. 研究计划与安排

1-2周 仔细阅读学习软件pointwise使用手册，完成导师指定的简单船型（如数学船型）建模。

3-3周 使用软件pointwise完成集装箱船船体三维几何建模以及精度验证等工作。

4-5周 仔细阅读学习软件hexpress使用手册，在导师指导下学习在船体周围生成计算网格。

4. 参考文献（12篇以上）

[1] 陶文铨，数值传热学，西安交通大学出版社, 2001.

[2] 刘寅东，船舶设计原理，国防工业出版社, 2010.

[3] 盛振邦，刘应中，船舶原理，上海交通大学出版社, 2009.