摘 要

船舶阻力仿真在船舶设计中尤其重要，它不但能够提高船舶设计的效率和能力，而且是富有价值的研究方向与热门课题，越来越多的学者从不同的角度对船舶阻力进行更多样的仿真分析与研究。

本论文在对国内外学者对于船舶阻力计算预报的研究进行了较为系统的回顾与总结的基础上，基于商业 MATLAB/SIMULINK软件并经二次开发建立船舶阻力仿真模型，可以对航行中的船舶在通航环境的影响下进行了全面的数值模拟和阻力计算研究。

目前国内外在船舶领域研究中,对通航环境的研究较少,并且相关研究得到的船舶领域边界大多都是一个固定的数值,需进一步进行研究,船舶阻力模型由于受船舶速度、浪高、通航密度、风、流等因素的影响必定是一个动态变化的。另外,在内河航道中,内河典型航段的通航能力直接决定了整个航段、甚至整条通航河流的航道通航能力,因此,在充分考虑通航环境的前提下,建立船舶阻力模型,并研究不同通航环境下的船舶阻力变化规律,对船舶设计,节能减排,保障通航船舶安全、合理利用资源具有重要意义。

因此,本论文充分考虑风、浪、流以及航速对船舶阻力的影响,建立风浪流作用下的内河动态船舶阻力模型,以内河典型航段为研究对象,以simulink进行通航环境仿真，并运用该模型对船舶阻力进行计算。

关键词：通航环境；船舶阻力；仿真分析；航速

Abstract

Ship resistance simulation in ship design and its importance, it not only can improve the efficiency and ability of ship design, but also a valuable research direction and hot topics, more and more scholars from different angles on the ship resistance to more diverse Simulation analysis and research.

 Based on the commercial MATLAB / SIMULINK software and the secondary development, the ship resistance simulation model is established, which can be used to analyze the ship's resistance in the study of the ship's resistance calculation. Under the influence of the navigation environment, a comprehensive numerical simulation and resistance calculation study were carried out.

  At present, there are few studies on the navigation environment in the field of ship and abroad, and the boundary of the ship is mostly a fixed value. It needs further study. The ship resistance model is mainly affected by the ship speed, Density, wind, flow and other factors must be a dynamic change. In addition, in the inland waterway, the navigable capacity of the typical river section directly determines the navigable capacity of the whole section and even the whole navigable river. Therefore, under the premise of taking into account the navigation environment, the ship resistance model is established and the different The change law of ship resistance in navigation environment is of great significance to the design of ships, energy saving and emission reduction, and to ensure the safe and reasonable utilization of resources.

  Therefore, this paper takes full account of the influence of wind, wave, flow and speed on ship's resistance, establishes the model of dynamic resistance of inland river under the action of wind and wave, and takes the typical river section as the research object, simulink is used to simulate the navigation environment, The model calculates the ship's resistance.

Key Words：Navigation environment; ship resistance; simulation analysis; speed

目 录

第1章 绪论 1

1.1 船舶阻力研究的重要性 1

1.2 阻力研究方法概况 2

1.3 SIMULINK介绍 3

第2章 船舶阻力 4

2.1 船舶阻力的成因 4

2.2 船舶阻力的分类 4

2.3 通航环境影响船舶的机理 5

2.4 船舶估算方法 5

第3章 内河通航环境要素建模 11

3.1 水文条件 11

3.2 气象条件 12

3.3 航速建模与分析 13

3.4 本章小节 14

第4章 影响船舶阻力的内河通航环境要素分析 15

4.1 风对船舶阻力的分析与研究 15

4.2 波浪对船舶阻力的分析与研究 16

4.3 水流对船舶阻力的分析与研究 16

第5章 总结与展望 18

参考文献 19

致谢 21

第1章 绪论

1.1船舶阻力研究的重要性

船舶快速性分为船舶阻力和船舶推进两个部分。其中研究通航环境下船舶阻力问题对改善船舶快速性具有非常重要的作用。经过船舶行业多年的发展，对船舶阻力仿真分析与研究的方法和手段也越来越多，研究对象随之也越来越深入，准确度便越来越高，因此船舶阻力研究对于船舶设计和建造的贡献也是变得更加突出。其中合理的船舶阻力分析便于显著改进船舶性能，提高航速，节约成本^[1]。

由于实际中的通航环境非常复杂多样，导致船舶水下流动情况也较为复杂，不仅仅是单纯的层流或者紊流^[11]，根据边界层理论可以知道，周围的流动状态取决于雷诺数，在船体前段部分，由于局部雷诺数较小，流体的粘性作用很小，边界层厚度很小，所以呈现出层流^[4]。随着局部雷诺数的增大，流体的粘性作用变大，边界层厚度增加，流体逐渐由层流转变为过渡流，直至转变为完全紊流状态，若船体的雷诺数较大，则流体大部分为紊流状态，基本上是紊流阻力，若船体的雷诺数较小，则前段的层流和过渡流占整个船体的较大部分。因为流体的不同状态，使流体分为层流、过渡流、紊流三种状态，不同状态，使船舶阻力各不相同，因此流体对整个船体的平均阻力产生显著影响。由于通航环境的影响，上层建筑又受到风阻力和空气阻力，不同的风速和风角影响船舶阻力的不同。通航环境中波浪的大小，引起船舶前后压差不同，形成粘压阻力，最终导致船舶阻力的变化。因此，终其原因是通航环境的不同，导致船舶阻力的不同，因此，研究通航环境与船舶阻力的关系并进行仿真分析与研究是广大船舶工作者迫切需要关注的一个问题。

如今，各种船舶阻力仿真发展迅速，但是在现有的技术条件下，研究通航环境下船舶阻力的变化规律少之又少。仅仅通过船模分析研究静水阻力是远远不够的。由于船模和实船在尺度上存在差异，总会存在傅汝徳数和雷诺数不一致的情况，实际中，仅仅使雷诺数是相等是完全不可能的，因此，只能保持傅汝徳数相等的情况下进行实验，而为了使船舶在水池中的流体状态为紊流，通常的做法是在船模的某一站上加激流丝^[11]，这样确保使流体的状态为紊流，便于船舶实验的研究。而用数值模拟的话，要想使流体状态改变为紊流，就只有改变局部粗糙度，使傅汝徳数变大，这样便能使局部变得不光滑，从而使船舶阻力增加，然而在数值模拟的情况下，也可以采用实尺度进行数值模拟，只需要在输入端输入数据即可。而不像船模试验时，水池尺寸的大小和水池情况的仿真效果变化决定船模实验是否可行。不管是理论分析，船模试验还是数值模拟，所有的工作都是为了实船服务的，都是为了更好预测实船的船舶阻力。因此在这样的情况下，怎样才能在合理的理论条件下，去更好的分析与研究数值模拟和船模试验的结果，也是船舶工作者迫切需要去做的工作。