1、 1 毕业设计文献综述 船舶与海洋工程 小水线面双体船阻力计算 前言 小水线面双体船 ,以深置水下的双下潜体、 小水线面的双支柱和宽敞的上船体三部分组成。它的特点是由于水线面比单、 双体船都小很多 ,受波浪扰动小 ,所以拥有优良的耐波性 , 能平稳执行海上作业 ,人员晕船率低 , 适于 全海候 , 坚持高出勤率 ;波浪中失速小 ,能在恶劣海情下保持高航速 ,各种航速下运动响应平缓 , 适于在复杂海情下工作 ,上可起降直升机 , 下可收放深潜器、 工作艇 ; 在相对小的排水量下 ,甲板面积及有效舱容宽敞 ,利于总体布局 ,适于承担海上特种作业 ; 操纵性良好 , 利于安全实施海上靠舷登船 ;生存
2、能力较强 ,正常与破损稳性较高 ;船体表现外形简单 , 通常是二线曲面 ,建造工艺没难度 ,而且适宜采用电磁波和水声隐身结构 , 提高全船隐蔽性。但船体结构复杂 ,重量比相当排水量的单体常规船大 ;载重量变化使吃水变化十分敏感 ;双体配套设备量大 , 控制系统复杂 ,造价相对高。可以说 ,小水线面双体船的性能好 , 在高海情下适用范围宽 , 相当排水量下比常规单体船功能强。它是高性能多功能船 ,正处于开始推广应用时期。 【 1】 现状与发展 小水线面双体船的概念早在 1905 年以前就已被提出。但直 到 1973 年才在美国建成世界上第一首 SWATHA“ Kaimalino” 号。随后日本和
3、欧洲一些国家也相继开发出 SWATH 船。例如，日本开发的有” Marine Ace” 号 (18t,试验船 )，“ Mesa 80”号（ 350t，旅客渡船）， ” Kotozaki” 号和 Ohtori 号（排水量分别为 236t 和 239t，均为水文调查船） 【 3】【 3】 。我国在 70 年代后期开始 SWATH 船的研究工作 【 3】【 4】【 5】【 6】【 7】 。2000 年在汕头船厂建成我国第一艘 SWATH 船，排水量为 200t，主要取其耐波性好，航行平稳的优点，设计 航速不很高。 因为 SWATH 船的满载吃水线以下船体表面积比相同排水量的单体船大65%-80%。所
4、以在相等的航速下， SWATH 船的摩擦阻力比单体船大得多 。这意这2 以为着当 SWATH 船低速航行时，其阻力性能比单体船差很多。只有高速航行时，由于兴波阻力小，其阻力性能才好于单体船 【 3】【 9】【 10】 。因此， SWATH 船的海上航速一般设计得较高。 SWATH 船的航行水阻力随船速增加而增加 ,但在波浪中航行的阻力与在静水中航行的阻力相差很小。说明 SWATH 船在波浪中失速小 ,这一点与单体船有很大不同。 SWATH 船的推 进效率比单体船高 10%一 50%【 3】 。主要有两个原因：一是主体是比较规则的细长体 ,在尾部螺旋桨处的伴流既均匀又 比较丰满 ,有助于船身效率
5、的提高 ;二是螺旋桨沉深比较大 ,可以选用推进效率较高大直径低转速螺旋桨。 CFD 研究 船舶的水动力和所受阻力是船舶性能研究和船型优化设计的重要内容之一。以往采用模型试验研究，虽然可靠，但是设计周期长，资金投入大，且不便于改进设计。伴随着计算机技术的迅速崛起和发展，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、漩涡等现象的出现，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
6、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，同时应为尺度效应，船模实际上并不能真实地再现实船的流动情况，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。 计算流体动力学 (Computational Fluid Dynamics，简称 CFD)是在计算机上求解描述流体运动、传热和传质的偏微分方程组，并对上述现象进行过程模拟。用他来进行流体力学的基础研究，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
7、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方程的普及，升力线、升力面理论已取代了螺旋桨图谱设计。船舶阻力的3 CFD 计算尽管存在自由表 面、高雷诺数等多种难题，最近 30 年来通过人们不懈的努力，从势流理论线性计算到非线性计算，从理想流体到粘性流体，从薄边界层到全 NS 方程的求解，直至考虑自由面 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所机构才有的计算方法，如今已有很多商业化的 CFD 软件可以应用。不过，就我国现在的 CFD 软件开发水平和能力而言，借助国外成熟的
8、商业 CFD 通用软件进行船舶的粘性绕流模拟和水动力研究，应该是一种比较简便经济的方法。目前，国内己经出现一些关于使用商业 CFD 软件进行船舶水动力计算的 探索研究。这些探索与研究将为我国的船舶CFD 研究，提供新思路、新方法。各种商业 CFD 通用软件的数学模型的组成都是以纳维一斯托克斯方程（ N-S )方程组与各种湍流模型为主体，再加上多相流模型、自由流模型、非牛顿流体模型等。大多数附加的模型是在主体方程组上补充一些附加源项、附加输运方程与关系式。离散方法采用有限体积法 (FVM)或有限元法 (FEM)，由于有限体积法继承了有限差分法的丰富格式，具有良好的守恒性，能像有限元法那样采用各种
9、形状的网格以适应复杂的边界几何形状，却比有限元法简便的多，因此，大多数 CFD 通用软 件都采用有限体积法。 FLUENT 简介 FLUENT 是用于计算流体流动和传热问题的程序。他提供的非结构网格生成程序，对相对复杂的几何结构网格生成非常有效。可以生成的网格包括二维的三角形和四边形网格 ;三维的四面体、六面体及混合网格。 FLUENT 还可以根据计算结果调整网格，这种网络的自适应能力对于精确求解有较大梯度的流畅很有实际的作用。由于网格自适应和调整只是在需要加密的流动区域里实施，而非整个流场，因此可以节约计算时间。 10 总结 （ 1）小水线面双体船的耐波性非常好 ,尤其是在迎浪时显得格外突出
10、 。但随 浪航行和尾斜浪航行时的运动幅度较大。 （ 2）小水线面双体船的航速较高 ,一般均在 25km 以上。 （ 3）小水线面双体船的每厘米吃水吨数小 ,因此在航行 中必须随时打人压4 载水 ,以弥补燃料消耗后的重量损失 ,保持正常吃水状态。其破损后的浮性非常坏 。 （ 4）小水线面双体船在高速航行时有首倾现象 ,需调节稳定鳍加以控制 。 （ 5）小水线面双体船的航 向稳定性很好 ,低速航行时的稳定性也好 ,但高速航行时的旋回性 比同船长的单体船差很大 ,与同排水量的单体船略差一些。 （ 6）小水线 面双体船主机与轴系的维护与检修比 较困难 . 5 参考文献 1陈宁 . MDT 在船舶机舱动
11、力管系布置中的应用 J.大连工学院学报 .2002,4(2)： 30-36. 2Gore.JL.SWATH SHIPSM.Naval Engineers Journal,1985:130 140. 3黄鼎良 .小水线面双体船性能原理 M.国防工业出版社 .1993:30 78. 4益其乐、曹谨忠等 .小水线面双体船的耐波性研究 A.中国船舶工业总公司702 所报告 C.1981:27-33 . 5钱耀鑫 . 恽秋琴 .小水线面双体船模型 M-8503 耐波性试验报告 A.中国船舶科学研究中心 C.1987:9-12. 6黄鼎良 .李向群 .小水线面双体（ SWATH） 船纵向运动的控制 J.大
12、连工学院学报 .1987,23(3):21-24. 7黄鼎良 .王新平 .小水线面双体船阻力理论预报 J.大连工学院学报 .1986,4(8):12-15. 8葛纬祯等 .小水线面双体船阻力估算方法 D.北京：船舶性能研究所 ,1985（ 2） 9于天江 .小水线面双体船阻力特性的试验研究 D.北京： 船舶性能研究所，1982（ 2） 10韩占忠 、 王敬 、 兰小平 编 .FLUENT流体工程仿真计算实例与应用 M.北京 :理工大学出版社 ,2007:19. 11韩占忠 、 王敬 、 兰小平 编 .FLUENT流体工程仿真计算实例与应用 M.北京 :理工大学出版社 ,2007:20. 12 BMW SAUBER F1 TEAM RACES TO FRONT WITH FLUENT CFDJ . THEISSEN, Mario Mainframe Computing. 2007, 20（ 12）： 7-8.
