摘 要

内河船舶在浅水航道航行以及海船出入港口，或在近海位置航行时，均处于有限水深的环境下，船体周围的流场，阻力，兴波情况及船舶运动姿态较深水情况会产生较大的改变，使得船舶的各项操作性能下降，易于引发事故。研究船舶在浅水下的阻力性能以及兴波特性，能够指导内河船舶，海船进出港口及近海位置航行，对船舶的阻力性能预报，浅水修正，船舶设计具有重要意义。

本文使用RANS方法，对Wigley船在深水及水深吃水比为2的浅水中直航进行了数值模拟。使用商业软件ICEM CFD将流场域划分为六面体结构网格，并在傅汝德数为0.316的深水情况下进行了网格独立性分析，然后将深水情况下计算结果与水池实验进行对比，验证了数值模拟方法的准确性。最后预报了Wigley船在浅水中不同速度下的阻力，运动姿态及兴波波形，总结归纳浅水下船舶阻力性能及兴波特性与深水情况中的差异，对于其它船型在浅水下的阻力性能及兴波特性变化具有一定的指导意义。

关键词：有限水深；浅水效应；Wigley船；下蹲现象；RANS；重叠网格

Abstract

When inland vessels sailing in shallow waterways, sea vessels departing from or arriving at the port and sailing in offshore locations, they are all in a limited water depth environment. Flow field, resistance, wave patterns and ship motion will change significantly compared to the infinite water depth conditions. These changes degrade ship’s operational conditions, which is prone to accidents. Studying the ship's resistance performance and the characteristics of wave pattern under shallow water condition can guide the navigation of inland vessels and sea vessels. It is of great importance for ship performance prediction, shallow water correction and ship design.

In this paper, the RANS method is used to numerically simulate the direct movement of the Wigley ship in deep water and in shallow water as the ratio of water depth and draught is 2. The commercial software package ICEM CFD was used to discretize the fluid domain into hexahedral structured grids. The grid independence analysis was carried out under deep water condition with the Froude number is 0.316. Then the calculation results under deep water condition were compared with the tank experiment to verify the accuracy of the numerical method. Finally, resistance, ship motion and wave patterns of the Wigley ship at different speeds under shallow water condition are predicted. The differences in the resistance performance and the wave pattern characteristics between shallow water condition and deep water condition are summarized. The work of this paper has certain guiding significance in predicting the resistance performance and the wave pattern characteristics changes under finite water depth for other types of vessels.

Key Words：finite depth; shallow water effect; Wigley; squat phenomenon; RANS; overset grid

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 浅水效应 1

1.1.2 船舶CFD技术 3

1.2 研究目的及意义 4

1.2.1 研究目的 4

1.2.2 研究意义 4

1.3 国内外研究现状 4

1.3.1 国内研究现状 4

1.3.2 国外研究现状 5

1.4 本文主要内容及章节组成 5

第二章 数值模拟基本理论及方法 7

2.1 控制方程 7

2.2 湍流模型 8

2.3 边界条件 9

2.4 离散方法 9

2.5 壁面方程 10

2.6 自由液面模拟方法 11

2.7 重叠网格方法 11

第三章 深水中Wigley船阻力性能计算方法研究 13

3.1 Wigley船型介绍 13

3.2 计算域和边界条件设置 13

3.2.1 计算域尺寸设置 14

3.2.2 边界条件选取 15

3.3 网格划分 15

3.4 网格独立性研究 16

3.5 计算结果验证 19

第四章 浅水中Wigley船阻力性能预报 21

4.1 计算工况 21

4.2 计算结果验证 22

4.2.1 阻力曲线验证 22

4.2.2 下蹲量验证 23

4.2.3 船行波图形验证 24

26

第五章 Wigley船在深/浅水情况下阻力性能差异 27

5.1 阻力对比 27

5.1.1 总阻力 27

5.1.2 摩擦阻力 28

5.1.3 压阻力 29

5.2 船舶运动姿态对比 30

5.2.1 升沉 30

5.2.2 纵倾 31

5.3 兴波波形对比 32

5.3.1 Fr = 0.200 32

5.3.2 Fr = 0.25 33

5.3.3 Fr = 0.30 34

5.3.4 Fr = 0.316 35

5.3.5 Fr = 0.35 36

5.3.6 Fr = 0.45 37

5.4 流场对比 38

5.4.1 Fr = 0.200, Fr_h = 0.566 38

5.4.2 Fr = 0.350, Fr_h = 0.990 39

5.4.3 Fr = 0.450, Fr_h = 1.273 40

第六章 不同航速下浅水中Wigley船阻力性能差异 42

6.1 阻力差异 42

6.1.1 总阻力 42

6.1.2 摩擦阻力 42

6.1.3 压阻力 43

6.2 船舶运动姿态差异 44

6.2.1 升沉 44

6.2.2 纵倾 44

6.3 兴波波形差异 45

6.3.1 船体表面波高 45

6.3.2 船行波图形 46

第七章 总结与展望 48

7.1 研究总结 48

7.2 研究展望 48

参考文献 49

致 谢 51

第一章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 浅水效应

1.1.1.1 船舶阻力

船舶阻力即为作用在船舶上的流体力，作用方向与船舶的前进运动方向相反，通常总阻力R_t可以分为粘性阻力R_v和兴波阻力R_w两个部分[1]。

粘性阻力R_v包含摩擦阻力R_f与粘压阻力R_pv，摩擦阻力是由于船舶在粘性流体中运动，受到切向剪切力τ而产生的，粘压阻力是由船舶在克服切向剪切力时船艏艉边界层中的能量损失不同，船艉的停滞压力降低，艏艉停滞压力之间产生差异引起的[2]。

浅水情况下，由于船底与水底间距离的限制，以及由粘性造成的船底水底边界层的存在，回流速度增加，即阻塞效应，如图1.1所示。