cfd船舶阻力预报和线型优化研究

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1、上海交通大学博士后士学位论文CFD船舶阻力预报和线型优化研究姓名：张红玲申请学位级别：博士后士专业：指导教师：钟应华;谭家华2001.7.1CFD船舶阻力预报和线型优化研究第一章概述1．1课题的提出课题的提出是基于企业的生产实际与市场竞争的考虑。近年来造船企业面对国际船舶市场的激烈竞争，要进行大量的船舶报价设计及初步设计工作，每年累计百批次，而在初步设计中快速性验证往往需要通过水池模型试验完成，仅委托模型试验一项每年累计耗费近百万

2、元。由于船模试验周期长、费用高，往往影响对市场的及时响应，因此，先进、快速的预报手段的引进已显得十分迫切。另一方面，快速性也是交船的重要指标之一。经济、节能、快速是现代船舶设计追求的目标，更是确保企业在激烈的市场竞争占据有利位置的重要因素之一。要保证船舶具有良好的快速性，在很大程度上就是要使船舶具有优良的线型，使其阻力最小，船舶和螺旋桨配合合适，推进效率最佳。现阶段，线型设计的主要方法还是：参照优秀的母型船线型或系列船模线型，根据新船的具体要求，用适当的方法加以修改而得到新船的线型，当开发新船型时，或母型船与设计船差别较大时，则须经过模型试验加以验证。虽然随着C

3、AD技术在船舶设计领域的成功应用，计算机已能很好的完成船体曲面的几何造型，但船舶线型设计在实质上还没有脱离经验设计、类比设计和模型试验的设计阶段。，“经验”在这里扮演着十分重要的角色。线型设计对经验的这种依赖性本质上是源于船舶设计是一个多参数、多目标、多约束的求解和优化过程，需要反复地迭代校验和修正，在这种不断逐步近似过程中，．对众多指标的权衡与舍取难免带着一些主观因素。但这其中一个主要因素还是设计者对船舶的水动力性能特别是局部流场细节很难有一个定量的把握。船舶的水动力性能(快速性、适航性、操纵性)是由绕船的流场特性而决定，从理论上讲通过求解描述流场特性的流体动

4、力学方程就能对相应的水动力性能做出预报。然而，由于自由面的存在、船体几何形状复杂(特别是船尾)、附体较多，导致自由面水波、流体分离、旋涡等现象的出现，使得流场中的流动结构很复杂，即使有了描述流动过程的微分方程式也不可能得到解析解，因此，长期以来船模试验便成了研究船舶周围流场特性的一个必不可少的手段。然而，船模试验不仅周期长、费用高、很难得到详细的局部流场信息，同时因为尺度效应，船模实际上并不能真实地再现实船的流动情况，存在很大的局限性。新的水动力性能预报手段的引入已十分必要。计算流体力学(ComputationalFluidDynarmcs)是在计算机上求解描述

5、流体运博士后出站报告动、传热和传质的偏微分方程组，并对上述现象进行过程模拟。用它来进行流体动力学的基础研究，其主要优点是能以较少的费用和较短的时间来获得大量有价值的研究结果。随着计算机技术的飞速发展，数值方法不断改进，CFD的计算精度不断提高以至满足工程实用要求逐渐成为可能，正成为研究船舶水动力性能的一种新的、快速而经济的重要工具。较为成功的应用实例是耐波性的计算程序的普及，升力线、升力面理论已取代了螺旋桨图谱设计。船舶阻力的CFD计算尽管存在自由表面目、高雷诺数等多种难题，但20多年来通过船舶流体工作者不懈的努力，从势流理论线性计算到非线性计算，从理想流体到粘

6、性流体，从薄边界层到全NS方程的求解，直至考虑自由面的NS方程的求解，CFD方法在计算能力和实用方面都发生了深刻的变化。过去只是在大学和研究机构才有的计算方法，如今正通过试验验证确认为有效的、快速敏捷的计算机程序，出现在应用者面前。目前，世界各大船池在船舶试验前进行CFD计算，尤其是应用势流理论进行兴波阻力的计算，已逐渐成为试验前的常规步骤。这些船池还自己开发相应的船舶CFD软件，如荷兰MARIN(MaritimeResearchInstituteNetherlands)的RAPID、DAWSON程序，德国HSVA(HamburgShipModelBasin)的

7、SHALLO程序，瑞典SSPA的SHIPFLOW程序以及美国大卫‘泰勒研究中心(DTRC)潜艇周围流场计算的CFD软件等。国际上，CFD应用于船舶工业的工作正在展开。最早尝试应用CFD的是欧洲船厂，因为面对亚洲船厂低价竞争，他们必须应用新的先进技术来缩短设计周期、．提高船舶水动力性能、增加自身产品技术含量，因此他们积极开展了将CFD应用于船舶工业的计划。这其中比较突出的是丹麦的OdenseSteelShipyardLtd德国的Jos．L．MeyerGmbH＆Co．船厂和芬兰的KvaemerMasa-YardsInc．与几家研究机构和大学合作开展的CALYPSO(

8、Computationa