摘 要

双体船船型的提出是世界造船史上具有里程碑意义的事件，双体船比常规的单体船更加稳定，快速性和耐波性也比较好，而且双体船的甲板面积比单体船要大。穿浪型双体船在继承常规双体船的优良性能的基础上，更进一步提高了船型性能，因此，双体船在客船领域有广阔的应用前景。

本文首先对某双体船模试验所得的数据进行了分析并预报了实船阻力性能以及绘制了该双体船模的阻力性能曲线。然后运用STAR-CCM 软件，通过对该双体船进行了静水阻力性能研究，分析仿真条件下，网格不确定度以及湍流模型的选择对计算结果的影响，得到了适用于双体船型计算域网格划分的合理方案。在该方案下，得到不同航速下该双体船的阻力变化规律。具体内容如下：

1. 对计算流体力学的基本理论、数值模拟方法、网格划分、湍流模型以及初始条件和边界条件做了详细的介绍，为后续对该双体船进行阻力性能研究提供了理论依据。
2. 分析了不同船体表面网格尺寸以及船体表面第一层网格厚度对计算精度的影响，选出了较为合理的网格划分方案。以及对不同的湍流模型进行了模拟计算选出较为合理的湍流模型。
3. 对该双体船的数值模拟过程做了较为详细的论述，并对所得的结果进行了分析。通过总阻力、摩擦阻力以及剩余阻力的对比结果并绘制兴波云图直观的观察阻力变化规律以及阻力成分占比结果。

关键词：双体客船；船模试验；网格无关性；阻力性能；STAR-CCM

Abstract

The catamaran is a landmark event in the world shipbuilding history. The catamaran has good stability, resistance, seakeeping and wide deck area. On the basis of inheriting the excellent performance of the conventional twin-ship, the ship-type performance has been further improved. Therefore, the twin-ship has a broad application prospect in the field of passenger ship.

In this paper, the real ship resistance performance is predicted and the resistance performance curve of the catamaran model is drawn. By using the STAR-CCM software, the author analyzes the influence of grid uncertainty and turbulence model on the calculation results under the simulation conditions, and obtains the best scheme for grid division of the basin. Under the optimal scheme, the variation law of the resistance of the catamaran in different speed stages is obtained. The details are as follows:

（1）The basic theory of computational fluid dynamics, numerical simulation method, grid division, turbulence model and initial and boundary conditions are introduced in detail, which provides a theoretical basis for the further study of the resistance performance of the twin-ship.

（2）The influence of different hull surface mesh size and the thickness of the first layer of the hull surface on the calculation accuracy is analyzed is analyzed. The best turbulence model is selected by simulating and calculating different turbulence models.

（3）The numerical simulation process of the catamaran is discussed in detail, and the results obtained are analyzed. Through the comparison resus of total resistance, frictional resistance and residual resistance, and cloud diagram to observe the change law of resistance and the proportion of resistance components.

Key Words: Passenger Catamaran; Ship Model Resistance Test; Grid independence; Resistance Performance; STAR-CCM

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 本文研究的目的和意义 1

1.2 双体船概述 1

1.3 双体船在国内外的发展及应用前景 2

1.3.1 国内外发展现状 2

1.3.2 应用前景 3

1.4 双体船的水动力性能研究 4

1.4.1 试验方法 4

1.4.2 CFD方法 4

1.5 本文的主要工作 5

第二章 双体船模型试验研究 6

2.1 模型介绍 6

2.2 试验过程 6

2.3 模型试验结果 7

2.4 实船阻力预报 9

第三章 计算流体力学的基本理论 12

3.1 控制方程 12

3.1.1 质量守恒方程 12

3.1.2 动量守恒方程 12

3.2 求解流程 13

3.3 计算网格划分 13

3.3.1 网格分类 14

3.3.1.1 结构网格 14

3.3.1.2 非结构网格 14

3.3.2 网格生成 14

3.4 初始条件和边界条件 15

3.5 自由液面的捕捉 15

第四章 数值计算网格划分及湍流模型影响因素分析 16

4.1 数值模拟设置 16

4.1.1 船型建模 16

4.1.2 计算流域设置 16

4.2 网格无关性研究 17

4.2.1 船体表面网格尺寸影响 17

4.2.2 第一层网格厚度影响 19

4.3 网格因素敏感性对比 20

4.4 湍流模型的选择 21

4.5 最佳网格因素划分方法 22

第五章 双体船阻力数值模拟及对比分析 23

5.1 网格划分及边界设置 23

5.2 数值模拟结果及对比 24

5.2.1 总阻力数值分析 24

5.2.2 摩擦阻力数值分析 25

5.2.3 剩余阻力数值分析 27

5.2.4 兴波云图 29

第六章 结论与展望 33

6.1 论文总结 33

6.2 工作展望 34

参考文献 35

致 谢 36

第一章 绪论

1.1 本文研究的目的和意义

在目前全球的经济发展形势下，船舶占有重要的地位。船舶建造与其他传统工业有明显的不同之处，船舶建造的工艺复杂，综合了建筑设计、轮机、电路等许多种行业。现在主流的三大船型包括散货船、油船和集装箱船。目前这些主流船型大部分还是单体船型。但是单体船有其不可避免的缺点，例如单体船的操作性能、稳定性以及快速性还有甲板空间等方面比双体船型还是有一定的差距。于是，在这种形势下，双体船型应运而生。

本文所研究的就是某双体客轮的阻力性能。双体客轮的船体性能上较之单体客轮有很多优点。第一，双体客轮的甲板开阔，方便布置。与相同的排水量的单体船相比，双体客轮的甲板面积更大，这也就意味着同级别的客轮，双体客轮比单体客轮的载人数要多。第二，双体客轮的稳性比常规单体客轮的稳性高。双体船型相较于常规单体船型最明显的特点就是双体船是由两个船体组成的，这一船型特点也就决定了双体船的回复力矩比单体船大，这也就导致双体客轮的稳性比单体客轮好，更加安全。第三，双体船的阻力性能更好。双体船较之单体船型来说，双体船的船型瘦削的特点决定了双体船的阻力性能较好，而且这种船型特点能够有效的降低兴波阻力，因此，双体船型非常适合高速型客船。第四，双体船的航向稳定性好。由于双体船具有两个船体，所以就比单体船的航向稳定性要好得多。