中、低速超大型油轮在浅水域航行阻力数值预报开题报告

1.1目的及意义

随着船舶向大型化发展，船舶吃水越来越深，船舶对航道水深的要求越来越高。过去视为深水的航道，现在出现了明显的浅水效应；过去认为水深不足而不能通航的水域，现在被开辟为航线。根据航行区域水深（h）和船舶吃水（T）的关系，通常把的水域定义为浅水域。对航行于入海口、海湾水域和进出港航道的船舶而言，航道岸壁的影响可以忽略，可以把这样的水域看作为浅水域。由于水底的影响，船舶在浅水域中航行的阻力性能与深水域情况相比有很大的不同。首先，船舶在浅水域中航行，其阻力会增加，船舶要维持原来的航速就要加大主机负荷，如果增加的主机负荷仍不足以克服船体增加的阻力，会造成船舶航行的困难。其次，船舶在浅水域中航行通常伴有较显著的下沉和纵倾（合称“下蹲”），下蹲现象使船底与水底距离进一步减少，这会使得船舶的阻力性能进一步恶化。本研究将开展浅水域中肥大型船舶的阻力预报及分析，研究结果对浅水船舶水动力数值预报、浅水船舶阻力性能、现代大型船舶进出港操作规程等方面研究具有参考价值。

1.2国内外研究现状

目前对于船舶阻力的研究主要有船模试验和数值模拟两种方法。船模实验方法结果可靠，但该方法需要特定的场地和仪器设备，故方法成本较高，周期较长。而对浅水中进行船模试验而言，特定的水深条件往往很难满足，导致试验达不到预期的效果。计算机科学技术的飞速发展使得采用CFD方法计算复杂的船舶运动流场和水动力成为可能。在众多数学模型中，基于求解雷诺平均纳维－斯托克斯方程（Reynolds Averaged Navier-Stokes Equations，RANSE）的方法由于在计算成本和计算精度上取得很好的平衡，其在船舶阻力数值预报领域的应用最为广泛。1990年在哥德堡召开的船舶粘性流动专题研讨会上对RANSE方法进行了验证，把船舶在深水中阻力数值计算结果与试验结果进行了比较，结果表明用RANSE方法对重叠模的绕流计算能给出令人满意的结果。RANSE 方法在深水船舶阻力预报取得巨大成功之后，它开始被用于浅水船舶粘性流场的计算，研究主要围绕单体或多体船在浅水中高速航行时阻力特性及航行姿态变化开展，而对于中低速肥大型船舶在浅水域中航行阻力性能研究开展得比较少。本研究采用RANSE方法，以大型油轮KVLCC2为研究对象，分析该船在不同水深环境中以中低速航行的阻力，对现代超大型船舶进出港水动力性能的研究有参考意义。

2.1基本内容

（1）基于CFD方法建立计算浅水域中船舶直航运动流场的水动力模型。

（2）网格依赖性测试及水动力模型的验证。

（3）数值模拟不同水深及航速条件下的船舶直航运动，对船舶阻力及流场进行分析。

2.2 目标

通过本研究，得到浅水域船舶直航运动流场的水动力计算模型及相应的数值实施方案，为浅水域大型船舶阻力预报提供一种可靠的预报的手段，为船舶在浅水域航行性能及安全提供技术参考。

2.3拟采用的技术方案及措施

（1）以超大型油轮KVLCC2为研究对象，基于求解RANS方程的CFD方法，采用商用粘性流计算软件STAR-CCM 建立模拟船舶直航运动的数值船池。

（2）采用不同网格布置形式计算KVLCC2油轮直航运动的水动力，分析网格布置方式对计算效率和精度的影响，确定适合本问题求解的数值计算方案。

（3）将计算结果与他人已发表的模型试验结果进行比较，验证数学模型及数值方法的有效性，并分析试验与计算结果之间误差成因，根据验证结果调整数值实施方案。 （4）计算不同水深和航速下KVLCC2油轮直航运动流场，得到船舶阻力随航行条件变化的关系曲线，并结合计算得到的流场信息，分析船舶阻力变化的成因。

第1周：查找文献，阅读文献。

第2周：开始撰写开题报告。

第3周：完成开题报告的撰写和上传。

第4周：学习CFD方法计算船舶阻力的原理。

第5周：学习CAD软件，完成船体几何外形建模。

第6周：安装和学习STAR-CCM 软件，建立计算船舶直航运动流场的水动力模型。

第7周：完成与毕业论文内容密切相关的外文文献的翻译。

第8周-第9周：数学模型验证及调试。

第10周-第11周：计算不同航速和水深条件下船舶阻力，分析不同航行条件对船舶阻力的影响。

第12周-第14周：毕业论文的撰写、修改与上传。

第15周：完成答辩、归档等工作。

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