三峡升船机中船舶进出船厢水动力数值模拟文献综述
2020-04-14 19:55:20
船舶进出升船机船厢时，受到船厢限制水域的影响（升船机船厢设计水深为3.5m，船厢水域宽18m），阻力情况与无限水域中相比有许多不同的特点。比如会有浅水效应、岸壁效应、流动分离及漩涡等非线性现象。传统经验公式和无限水域中船舶水动力特性的相关成果难以适用于限制水域，同时难以考虑阻塞效应、浅水效应，无法进行精准的水动力学性能预报。因此有必要针对船舶进出船厢复杂的水动力学环境，进行船舶进出船厢的水动力性能问题研究，发展有效的求解方法。
随着船舶的大型化发展，限制域中船舶水动力学特性逐渐成为研究热点，国内外学者采用理论分析、数值模拟和物理模型试验的方法对船舶靠岸，浅水航行时的水动力特性进行了分析。
姜昱汐[1]和周领[2]指出船在比较狭窄的区域运动会产生浅水效应，船推动着水不易向四周散去，会在船的四周与船厢壁积聚，不仅影响船的粘性阻力同时影响兴波阻力。其次船体吃水增加和船的浮态会有所改变，在浅水中的船舶，会有比较大的下沉和纵倾，同时有一定角度的漂角，如果倾斜过大，会伴随着较大的波幅，影响计算水动力的准确性。Mehdi Nakisa[3]研究了浅水中的船岸水动力相互作用对船舶操纵性的影响，实验结果有利于水动力数值模拟和操纵性的研究。Arifah Ali[4]等人研究了高速船舶的浅水性能，通过浅水静力实验确定阻力分量、纵倾状态和船体周围最大波幅。Hoyte C. Raven[5]提出了一种修正浅水模型阻力试验对池壁影响的新方法，发现水箱或航道壁会使沿船舶（回流）的超速量增加一个在航道断面上大致恒定的量，利用由单个势流计算得出的体积流量，推导出一个代数方程，从中可以求解这个量。根据计算的流场和阻力的假设，可以很好地预测超速增量。Mahsa Ghazian Arabi[6][等人针对较浅区域孤立波与方形截面的不透水结构的相互作用，用计算流体力学（CFD)对周围湍流进行模拟和数值计算，进一步了解块体周围的湍流相干结构的产生和传播。Chun-Beom Hong[7]等人在研究限制航道的波浪现象时，运用欧拉方程和连续方程，采用约束插值轮廓（CIP）算法求解控制方程中的对流项和运动自由面边界条件，为了验证数值方法的正确性，对威格利船体周围的自由表面流动进行了数值模拟，并与实验进行了比较。为了了解水道断面形状对船舶波浪的影响，将本数值模式应用于不同断面的自由面模拟，同时对浅水的波高和波型进行讨论。
余志兴[8]等人以加速度势为待求变量，在水动力学线性理论的框架下，建立了承船厢在升降过程中受到加速度激励时，厢内流体和船体运动的求解方程，可适应任何多艘船舶布置的情形，并通过程序进行多方面的验证。董俊哲，李宝元[9]根据浅水特性在垂直方向所平均化的N-S方程出发，利用有限元计算船舶进出船厢时水动力过程和船舶运动过程中的升沉、纵倾及船舶与厢底的最小间隙，提出了随非惯性系一起运动的开边界的辐射条件，从计算结果来看合理，计算方法稳定。王化明[10]对限制水域对船舶操纵性和水动力数值进行研究，运用FLUENT平台计算作用于船体上的操纵水动力。姚建喜[11]对船舶近岸效应进行了数值模拟研究，采用一种一阶三维Rankine源面元法,计算浅水中近岸航行船舶受到的横向力和首摇力矩。楼鹏宇[12]以油轮为研究对象，采用FLUENT平台,对船舶在限制水域中的纯横荡运动粘性流场进行了数值模拟,计算了船体所受的水动力及相应的水动力导数。孟庆杰，万德成[13]以wigley船型为研究对象，采用overset重叠网格技术处理船舶的大幅度运动，计算在有限域不同航速时的船舶阻力。邬宾杰[14]基于粘性流理论的通用软件平台，计算侧推器开启后船舶受力情况,对比限制水域与无限制水域中的侧推器的推力性能,为船舶的安全操纵提供有益价值。桑腾蛟，熊鳌魁[15]以KVLCC2船型为对象，计算其在不对称岸壁及浅水中斜航水动力，研究结果表明，随着水深的减小, 阻力, 横向力, 艏摇力矩以及水动力导数Yv, Nv都是增加的，这说明浅水情况下岸壁效应更加明显。
在船模实验方面,王兴权，陈克强[16]在考虑池水温差情况下，对系列60船模进行实验，进行三因次法简化，实验得到，Cf基本不变，而由于船体在浅水吃水增加，湿面积增大，所以船体所受阻力也增加。
综上所述，近年来限制域中船舶水动力特性的研究发展迅速，但针对三峡升船机船舶进出船厢的水动力特性的研究成果并不多见。有鉴于此，本文拟基于STAR CCM 软件平台，进行船舶进出船厢水动力数值计算。
{title}2. 研究的基本内容与方案
{title}
2.1研究内容：
本文拟针对船舶进出船厢复杂的水动力学环境，进行限制水域中船舶粘性阻力特性数值计算。具体研究内容如下：
（1）针对集装箱船型，采用STAR CCM 建模，对船厢中直航问题进行数值模拟，并通过对比其他试验数值结果，对物理问题建模及数值结果进行有效性验证。
