双体船阻力元件交互实验和数值研究
摘要：
本文对细长型双体船在静水中的阻力情况以及船体距离的干扰效应进行了实验和数值研究，并得出了相关结论。本文船体模型为现代对称型双体船模型，模型具有横向间隔。相关学者在船模试验池中进行了一系列试验，其中变量船体间隔的范围为Sc/L = 0.2 – 0.4，而速度与弗劳德数对应，上限为0.65。上述一系列试验主要在低速风洞中展开，旨在得出船体间的粘性干扰效应。此外，本文还采用了数值计算流体动力学模型，以期评估船体阻力元件的干扰效应。试验表明实体实验和数值研究间的结果惊人相似，并得到了较为满意的阻力元件评估结果。因此，本文试验提供了有用切实可用的数据，为进一步了解船体波动和粘性干扰效应奠定了基础。
关键词：实验；计算流体动力学；干扰阻力；双体船间隙
概述
人们从很久之前便已得知双体船的配置，然而真正将该种船型应用于高速渡轮行业，这是近年来才发生的事情，也是史无前例的。细长型船体外形和高速能力激起了技术演变的需求，主要体现在双体船初始阻力特性的预测方面。
由于双体船的阻力特性与速度、燃料消耗量密切相关，也与船体运行成本相关，因此成为设计螺线的主要方面，而阻力预测往往是造船工程师需要重点关注的因素之一，这是因为造船工程师渴望能够准确预测推动船体所需的功率。其次，另一个需要持续关注的问题是：如何在不增加引擎功率的前提下，增强船体性能。
总而言之，双体船静水阻力取决于两个主要因素，即粘性阻力和净水波动阻力。由于双体船存在干扰阻力，因此它的阻力元件与单船体的阻力元件存在很大不同，这意味着双体船阻力的确定过程会更加复杂。
学者对双体船的片体进行了大量研究，以期确定一个船体对另一船体的阻力干扰效应。实验主要包括船模试验池研究1，2、风洞研究3，4以及理论研究5，6。本文采用自由表明算法，并应用于现代计算流体动力学（CFD）代码。此外，相关学者也对双体船的海上应用进行了诸多研究，包括Couser等7、Dateamp;Turnock 8、Molland amp; Utama 9和Sahoo等10。
本文就对称型双体船进行了阻力分析，并阐述了不同横向间隔（间隙）对阻力型特的影响。基于南安普敦大学的实验结果，Insel amp; Molland 1采用对称船体，对半排水量型高速双体船进行了静水阻力调查。实验确定了影响总阻力值的两大干扰效应，即粘性干扰和波动干扰。其中粘性干扰由片体周围的不规则水流产生，对边界层的形成产生影响；而波动干扰则是由于两个船体各自产生的波动系统形成的交互作用。Insel amp; Molland表示双体船的总阻力值可用以下公式计算得出：
上述公式引入Oslash;因数，表示片体周围气压场产生的变化；表示两船体间的速率增加情况，可通过潮湿表面局部摩擦阻力间的相互整合计算得出；而（1 k）则表示片体在孤立状态下的波形因数。为了方便实际运算，上述公式可改写为：
因数表示波动干扰，可用以下方程式计算得出：
阻力元件的分离是评估、预测船体周围流动特性众多尝试中的一种（针对这一具体案例：阻力）。为此，相关实验采用了计算流体动力学工具。此外，研究人员一直致力于双体船的海上应用研究。然而，作为独立部件，粘性阻力和波动阻力的计算过程仍存在不确定性。归根到底，这是因为无法在此期间成功地进行自由表面建模。而如今，自由表面算法已经能够利用，并且已应用在计算流体动力学代码中。因此，现今诸多研究工作将研究重点放在了发展自由表面建模方面，并且也考虑到了船舶阻力元件的故障情况。而在本文的特定情况中，考虑的即是双体船阻力元件的故障情况。
如今研究中使用的商业CFD代码是ANSYS-CFX 11.0代码，它对雷诺时均方程（RANS）的数值解进行了建模，与流体体积法（VOF）共同协作，对自由表面流进行模拟。在粘性流代码实验中，研究人员运用了剪切应力输运（SST）湍流模型，用于计算区域建网。随后，基于船体周围水流实验，研究人员确认了速度范围，并对CFD模拟实验及其他出版资料中的阻力结果进行了比较。
本文对预测数值结果和实际实验结果进行了对比，研究证明数值研究得出的结论与观察到的阻力曲线结果一致，这意味着CFD模型也许能够充分解决双体船中片体产生的阻力干扰问题。
实验研究
一部分模型实验在印尼流体动力学实验室（IHL）的船模试验池中开展，一部分在Sepuluh Nopember理工学院（ITS）的低速风洞中开展。其中，船模试验池长235米，宽11米，水深恒定，为5.5米；而低速风洞测试区规模为1.80m*0.66m*0.66 m。
双体船由两个片体组成，两个片体通常并列安装，具有相同吃水线长度L和船体宽度b，在两者间存在中心线Sc，如图1所示。实验模型——对称双体船——由玻璃纤维构成，更多细节见表1。
风尚试验所用风洞模型为反射模型，延伸至吃水线。考虑到风洞阻塞问题，模型长度设计为0.457m。
船模试验池实验
本实验在单一片体情况下，设定弗劳德数上限为0.65，对三个船体间隔（间隙）进行研究。
实验条件如表2所示，其中（Sc / L）数值表示船体中心线之间横向间隔比率。
本文实验模型配备了扰流激化装置，包括10mm宽的砂粒条，位于（前缘）弓状位置的5%垂线间长处11。
本文片体模型与位于纵重心（水平方向）和基线上方0.45T（垂直方向）的负荷容器传感器相连（图2（a））。由于空间限制，双体船模型与甲板上的牵引杆负荷容器传感器相连（图2（b））。此外，双体船引入了补偿力矩，以期矫正纵倾变化。片体和双体船均可自由倾斜摇荡。根据弗劳德数测试范围，本文对每次行程的总阻力值进行了测量。
图1 双体船船体间隙（Sc）
表1 片体和双体船的主要尺寸
|
参数 |
片体 |
双体船 |
单位 |
|
LWL |
1.372 |
1.372 |
m |
|
b |
0.132 |
- |
m |
|
T |
0.078 |
0.078 |
m |
|
Cb |
0.511 |
- |
- |
|
S |
0.256 |
0.512 |
m2 |
|
体积 |
0.007 |
0.014 |
m3 |
|
排水量 |
7.222 |
14.444 |
kg |
|
L/nabla;1/3 |
7.170 |
- |
- |
表2 测试分离条件
|
模型描述 |
间隔(Sc/L) |
|
片体 |
- |
|
双体船 |
0.2 |
|
双体船 |
0.3 |
|
双体船 |
0.4 |
图2 （a）片体模型实验；（b）双体船模型实验
风洞实验
风洞实验所用反射模型如图3（a）所示，风洞实验装配如图3（b）所示。每个片体安装了44个压力开孔，以便测量片体表面压力分布。压力开孔的纵向位置和周向位置如图4所示，而每个片体都配有前缘粗糙皮（扰流片）。
全静压管道速度计位于模型后方约0.3L处（见图5），主要用于测量水平速度的分布情况。本文分别对Sc/L在0.2、0.3、0.4情况下的模型中线流速、压力分布进行了研究，同时基于2.8*105-4.4*105长度，给定雷诺数范围后，对每个Sc/L因数分别在四种风速下的情况进行实验。
图3（a）风洞实验反射模型；（b）风洞模型实验配置
图4 压力开孔纵向位置和周向位置
图5 模型后方全静压管道位置
CFD模拟
CFD模拟的实验条件与船模试验池模型实验的条件相似，以期预测不同片体间隙的阻力情况以及片体周围流速和压力的变化情况。在CFD模拟实验中，模型固定了龙骨水平，因此不可自由倾斜摇荡。本文对物理区域进行了规定，保证区域内的水、空气维持在标准水平。此外，挑选均相耦合VOF模型因为它的自由表面流中整个区域内自由表面轮廓分明12。均相模型能够在接触面每个地方都清晰且明确时确保两相同时进行，通常情况下自由表面上的船体不会产生破碎波。
为了解决调节流体方程，本文相关研究人员将流体域划分为若干小格；同时，本文采用有限体积法12用于离散化过程，并通过离散化过程，转变上述方程，化为代数形式。在初始模拟实验中，研究人员采用了SST湍流模型13，14。图6展示了初始计算区域，图中网格向上扩展1.5个模型长度，向下扩展4个模型长度，向两侧扩展1.5个模型长度（分别对片体和双体船），同时与自由表面上下均保持足够的距离。图中的初始计算区域主要用于多相流动计算，对片体和双体船来说，分别包含822087和1304943格网眼。
图6初始计算区域
计算方法边界条件描述如下：上游设定速度入口边界条件；入口流速（与模型速度相等）和自由表面标高固定；下游设定压力出口边界条件；设定未受干扰自由表面，计算出口处流体静力学压力；设定地面、侧墙为可自由滑动的光滑面。在二相流情况中，上表面设定开压边界条件；设定无水进入上表面；设定开口为压力参考点。
图7展示了片体周围的流速、压力测量位置。
图7 测量点位置设定
结论amp;讨论
根据实验结果（船模试验池）和数值结果，我们可知总阻力系数CT界定如下：
粘性阻力系数界定如下：
其中S表示在双体船情况下，两个片体的浸湿面积。
在船模试验池实验中，参照超低速或低弗劳德数（Frlt;0.2）实验数据，采用ITTC-57直线外推法及形状因数k确定粘性阻力元件，其中Cw可以忽略不计17。
通过已测总阻力CT和粘性阻力CV，可得出Cw值，方程式如下：
除上述故障外，分别考虑粘性元件和波动元件后，我们可以对干扰因数进行评估。在双体船情况中，波动阻力元件系数和粘性阻力元件系数的干扰因数可以通过方程式（8）和（9）计算得出：
其中CCAT和CDH分别代表双体船和片体。
由于压力、流速发生改变，因此粘性阻力干扰因数可以依据以下方程式计算得出：
根据CFD模拟实验所得图7位置的五个内部和外部读数，我们通过计算读数均值，得出上述流速、压力变化的实例证明。
阻力元件
图8展示了尾流流速不足的实例。在该实例中，已知水平面上的Sc/L=0.30，而尾流流速不足主要是由于粘性效应，这较为清晰明显地表现了船体流速会逐渐减少的现象。
<str
全文共12209字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料</str
英语原文共 11 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[154804]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
您可能感兴趣的文章
- 船舶在浅水航道中航行时的岸壁效应数值研究外文翻译资料
- 基于三维面元法限制水域船体下蹲的数值研究外文翻译资料
- 关于甲板大开口船体梁极限抗扭强度的实验研究外文翻译资料
- 基于斯托克斯方程计算和系统识别 方法预估实船操纵模型参数外文翻译资料
- 水面舰艇5415在PMM演习中的基准CFD验 证数据-第二部分:平均相位的立体PIV流 场测量外文翻译资料
- 初步设计阶段船舶功率推进预测第二部分初步设计中有用的服务速度船舶功率推进数学模型外文翻译资料
- 对某高速船模湍流自由表面的数值与试验研究外文翻译资料
- 第三章水下搜救与恢复操作外文翻译资料
- 液化天然气供求关系的现状与展望:一个全球性展望外文翻译资料
- 基于CFD的高层钢结构建筑风效应数值评估外文翻译资料
