水線面大開口船型的阻力性能研究.pdf

1、工程船是水上及水下工程作業(yè)的專用船舶。與運輸船舶不同，工程船因其工作要求的特殊性，船身往往裝有大型特種設(shè)備。為了布置和有效使用這些裝置，工程船船身常設(shè)有大型開槽。這些開槽從甲板貫穿至船底，在水線面處形成大型開口，從而使得工程船的阻力特性較常規(guī)運輸船舶有很大不同。
　　工程船在發(fā)展初期，多為非自航船舶，其應(yīng)用領(lǐng)域大都為內(nèi)河或近海。隨著海洋工業(yè)的高速發(fā)展和市場全球化的不斷推進，工程船在向大型化、專業(yè)化發(fā)展的同時，作業(yè)區(qū)域也變得越來越廣

2、闊，因此開始有越來越多的自航工程船被引入市場。另一方面，隨著全球能源形勢的日益嚴峻，如何降低能耗、提高效率已成為各領(lǐng)域普遍關(guān)心的問題。在這樣的背景條件下，對水線面大開口工程船的阻力性能研究開始得到越來越多的關(guān)注。
　　以往特殊船型的阻力性能研究通常采用模型試驗的方式。而今隨著計算機技術(shù)的高速發(fā)展，CFD（Computational Fluid Dynamics）工具已經(jīng)越來越廣泛地運用于船體設(shè)計和試驗當中。與傳統(tǒng)的模型試驗相比，C

3、FD模擬計算費用低，不受接觸點和測量精度的限制，在繪制詳細流場上具有明顯的優(yōu)勢，可以模擬試驗水池中難以做到的復(fù)雜現(xiàn)象。因此，作為模型試驗的有效補充，CFD工具開始在船體性能研究和設(shè)計型線優(yōu)化方面得到越來越多的應(yīng)用。
　　本文采用模型試驗與CFD計算相結(jié)合的方式，以典型的水線面大開口船舶大型自航絞吸挖泥船為對象，對水線面大開口船型的阻力性能問題進行了深入研究。研究內(nèi)容和成果主要包括以下幾個方面:
　　1、水線面大開口船舶阻力性

4、能試驗研究。以大型自航絞吸挖泥船為研究對象，在上海交通大學船模拖曳水池完成系列模型靜水阻力試驗，得到相同船舶在常規(guī)狀態(tài)、僅設(shè)艏開口狀態(tài)以及艏艉均開口狀態(tài)時不同航速下的靜水阻力值。并經(jīng)由試驗分析得到水線面大開口對船體阻力的影響，以及不同位置的水線面大開口致使船體總阻力產(chǎn)生的變化。
　　2、水線面大開口船型阻力試驗數(shù)值模擬計算。運用CFD工具對自航絞吸挖泥船系列模型試驗進行數(shù)值模擬，分別得到不同模型在不同航速下的靜水阻力和自由波面，并

5、從計算結(jié)果中發(fā)現(xiàn)水線面大開口船舶船體阻力發(fā)生改變是由于船體水線面大開口在船舶原有艏艉兩個波系的基礎(chǔ)上增加了新的壓力點，改變了船體興波，增加了船體的興波阻力。同時，通過將所得到數(shù)值計算結(jié)果與試驗結(jié)果相比較，驗證了CFD工具在水線面大開口船型阻力性能研究方面的有效性，為后續(xù)研究奠定了基礎(chǔ)，也為大開口型工程船阻力性能研究提供了新的方法和思路。
　　3、不同尺寸水線面大開口對船體阻力性能的影響。運用CFD方法對大型自航絞吸挖泥船系列模型的

6、粘性繞流進行數(shù)值模擬，計算并得到在不同航速下水線面大開口型船舶船艏開口縱向和橫向尺寸變化、船艉開口縱向和橫向尺寸變化以及艏艉開口相互作用等不同情況下船體阻力的變化規(guī)律。并通過對計算結(jié)果的歸納整理發(fā)現(xiàn)船艏開口對船體阻力性能的影響要遠大于相同尺寸的船艉處開口，且艏艉開口型船舶船艏處開口所引起的阻力增值在船體總阻力增值中占主要部分，因而如何降低船艏開口所造成的阻力增值是改善水線面大開口船型阻力性能的關(guān)鍵。此外，船體艏艉開口所產(chǎn)生的阻力增值可以

7、看作是相互獨立的，在工程應(yīng)用中可以運用簡單公式對艏艉開口型船舶的船體總阻力進行估值。
　　4、不同形狀船艏開口對船體阻力性能的影響。在不改變自航絞吸挖泥船自身基本工作性能的基礎(chǔ)上，以具備縱向尺寸和橫向尺寸均確定的、自船甲板貫穿至船底的艏部矩形開槽為基本模型，通過改變艏開口x-y、y-z和z-x截面的形狀得到不同的船艏開口型線，并將具有不同形狀開口的船體模型進行CFD數(shù)值模擬計算，得出不同船艏開口形狀對船體阻力性能的影響，從而找出影

8、響船艏開口增阻變化的主要因素，為水線面大開口船舶艏部開口處型線的設(shè)計選型和線型優(yōu)化提供參考。
　　5、對已有水線面大開口船型開口處型線提出優(yōu)化方案?；诒疚牡难芯砍晒?，對我國首艘超大型自航絞吸挖泥船“天鯨號”的開口處型線提出優(yōu)化方案，并運用CFD工具對原船及改進后船型的船體靜水阻力進行模擬計算，用計算結(jié)果證明改進后船型的船體總阻力較原船有明顯減小，實船有效功率有明顯減少，有效降低了能耗。證實了本文的研究成果在工程應(yīng)用中的實際意義。