摘 要

船舶的大型化发展使得港口、航道面临新的挑战，很多以往被视为深水的水域现在被视为浅水域，船舶在浅水域中航行的阻力性能与深水域情况相比有很大的不同。开展浅水域大型船舶阻力性能研究，对船舶进出港操作规程的制定具有较为重要的价值。随着计算流体动力学（CFD）方法的发展，使得数值模拟方法成为了研究绕船体周围粘性流场的一种有效手段。船体周围流动复杂，如何针对特定条件，选择合适的数学模型和数值方法成为广大船舶流体工作者关心的问题。

本研究基于求解RANSE的CFD方法计算超大型油轮KVLCC2在浅水域以中、低速航行的阻力。采用的RANSE求解器为商用流体动力学计算软件STAR-CCM 。计算中忽略自由液面的影响，选用SST k-ω湍流模型使控制方程封闭，采用SIMPLE算法实现压力场和速度场的耦合。将数值计算和试验测量得到的船体阻力进行比较，验证了方法的有效性。基于KVLCC2船型在不同水深中和不同航速下的流场模拟结果，分析了水深和航速对船舶阻力的影响。

关键词：浅水，船舶阻力，数值模拟，计算流体动力学，KVLCC2

Abstract

The development of large-scale ship makes the port and waterway face new challenges. Many navigation area which is regarded as deep water in the past is now regarded as shallow water. The ship resistance in shallow water is largely different from that in deep water. Therefore, the study of resistance of large-scale ship in shallow water is important for establishing guideline of ship entering or leaving the port. With the development of computational fluid dynamics (CFD) method, the numerical simulation method becomes an effective tool to analyze viscous flow around a ship. However, the flow around the ship is very complex. How to choose appropriate mathematical models and numerical methods for a specific simulation is not an easy task for the ship hydrodynamic researchers.

In this study, the CFD method, which is based on solving the RANS equation, is used to calculate the resistance of large-scale oil tanker KVLCC2 sailing in shallow water with middle and low forward speeds. The RANS solver is the commercial CFD software STAR-CCM . In the simulation, the influence of free surface is neglected. The SST k-ω model is used for turbulence closure. The SIMPLE algorithm is employed to couple the pressure and velocity fields. The validity of the present method is verified by comparing the computed and experimental results. Based on the simulation results, the influence of water depth and speed on the ship resistance is analyzed.

Key words: shallow water, ship resistance, numerical simulation, CFD, KVLCC2

目 录

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2国内外研究概况与进展 2

1.3本文的主要工作 4

第二章 粘性流计算基本原理 5

2.1 控制方程 5

2.1.1 连续性方程 5

2.1.2 动量方程 5

2.1.3 雷诺方程 5

2.1.4 涡粘模型 6

2.1.5 湍流模型 7

2.2 边界条件 8

2.2.1 流动入口 9

2.2.2 流动出口 9

2.2.3 对称边界条件 9

2.2.4 壁面边界条件 9

2.3 壁面函数法 10

2.3.1 近壁区流动特点 10

2.3.2 混合壁面函数法 11

2.4 数值方法 12

2.4.1 有限体积法 12

2.4.2 SIMPLE算法 12

2.4.3 网格生成 13

2.5 本章小结 13

第三章 KVLCC2粘性流场数值模拟计算 14

3.1 研究对象 14

3.2 研究工况 15

3.3 船体几何外形建模 15

3.4 数值水池的建立 16

3.5 网格依赖性测试 18

3.6 计算结果及分析 22

3.7 本章小结 27

第四章 总结与展望 28

4.1 全文总结 28

4.2 展望 28

参考文献 29

致 谢 31

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

随着船舶向大型化发展，船舶吃水越来越深，船舶对航道水深的要求越来越高。过去视为深水的航道，现在出现了明显的浅水效应；过去认为水深不足而不能通航的水域，现在被开辟为航线。根据航行区域水深（h）和船舶吃水（T）的关系，通常把h/Tlt;1.5的水域定义为浅水域。对航行于入海口、海湾水域和进出港航道的船舶而言，航道岸壁的影响可以忽略，可以把这样的水域看作为浅水域。由于水底的影响，船舶在浅水域中航行的阻力性能与深水域情况相比有很大的不同。首先，船舶在浅水域中航行，其阻力会增加，船舶要维持原来的航速就要加大主机负荷，如果增加的主机负荷仍不足以克服船体增加的阻力，会造成船舶航行的困难。其次，船舶在浅水域中航行通常伴有较显著的下沉和纵倾（合称“下蹲”），下蹲现象使船底与水底距离进一步减少，这会使得船舶的阻力性能进一步恶化。因此，有必要针对浅水域航行的船舶进行阻力性能的研究。

随着计算机性能的提高和计算流体动力学的发展，数值模拟方法成为船舶工程领域中船舶性能研究的一种有效的手段。由于实际中的船舶形状非常复杂，导致其周围流动情况也很复杂，不是单纯的层流或者紊流，往往流动是混乱的，存在大小规格不等的漩涡等。根据边界层理论可以知道，船体周围流动状态取决于雷诺数，在船体前端部分，由于局部雷诺数较小，所以产生层流。随着局部雷诺数的增大，层流逐步发展成过渡流，直到最后的完全紊流状态。若船体的雷诺数较大，则紊流所占的部分很大，基本上是紊流阻力，前端的层流和过渡流对整个船体的阻力影响较小。反之，如果雷诺数较小的话，则会导致前端层流和过渡流占整个船体的较大部分，使得整个船体的平均阻力产生明显影响。当船舶在浅水中航行时，在船底形成右前向后逐渐变厚的边界层，由于存在回流速度，在水底也将形成边界层，其厚度亦是前端薄、后端厚。由于船底、水底边界层的存在，使两边界层之间的水流区变窄，故此时流体的速度更快，回流速度进一步增，即所谓的浅水堵塞效应。从而会导致船舶周围的流动状态更加多变和复杂，影响方法的准确性。因此，如何针对特定的航速和水深，选择合适的数学模型和数值方法对绕船体周围粘性流场进行模拟是广大船舶流体工作者关心的一个问题。