基于吃水差优化的船舶能效仿真,本文是关于船舶毕业论文题目范文和吃水和能效和船舶类毕业论文题目范文.
船舶论文参考文献：
为了提高船舶营运能效,航运界提出了多种节能减排的方法,例如降速航行、航线优化、气泡减阻、主机热经济学分析、采用L NG等新能源.但是,要采取这些节能减排的方法都要增加船舶的投资资本或者是降低营运效率,并且这些方法对不同的船舶有不同的适应性,因此不能进行普遍推广.本文利用FLUENT软件计算船舶不同吃水及不同速度时在单相流（水）、两相流（空气、水）中的阻力,并结合项目组研发的船舶能效监控系统实测出船舶在不同吃水差下主机每海里的油耗,比较船舶在同种工况不同吃水差下阻力和主机每海里油耗的变化趋势,从而找出在相应工况下的最佳吃水差.
1.船舶吃水差及阻力计算模型
1.1船舶吃水差的概念
船舶的吃水差是指船舶的艏吃水d f与艉吃水d a的差,用t表示,即：
f a t 等于 d ? d
当艏吃水大于艉吃水时,即吃水差为正值时,船舶为艏倾（Tr imb y b o w）；当艏吃水小于艉吃水时,即吃水差为负值,船舶为艉倾（Tr im by ster n）；当艏吃水等于艉吃水时,即吃水差为零,船舶为平浮（Even keel）.
因船舶装载的压载水、货物以及燃料的装卸,使船舶的重心偏离船舶在正浮时的浮心位置,产生纵倾力矩,从而使船舶艏吃水与艉吃水不同.
1.2吃水差对船舶航行性能的影响
船舶不同的吃水和不同的吃水差都会对船舶的航行性能产生影响.如果船舶的艏倾过大,其首部甲板易上浪,舵叶和螺旋桨入水深度相对减小,如果遇到风浪,舵叶和螺旋桨易露出水面,形成飞车,导致船舶的航行稳定性变差,推进效率也降低.如果船舶的艉倾过大,不仅使首部底板容易受波浪拍打,船舶的操纵性会变差,驾驶台瞭望的盲区增加,还会使航速降低.
1.3 阻力理论计算
1.3.1质量守恒方程
流体在流场中流动需要遵循物理守恒定律,其中包括质量守恒、动量守恒和能量守恒等,具体表现为连续性方程和N-S方程.
其中,E表示流体的比能,i表示内能,E等于i+1/2(u2+v2+w2),k表示流体热传导率,T表示温度,源项SE表示单位时间供给单位体积流体的能量源.
2.模型的建立和选择
2.1 模型的建立
本文设定的边界条件将在下面依次说明,在只对水下船体阻力研究时,边界条件设定的比较简单,在粘性模型中选择RNG k-ε 模型,在对材料进行定义时,需要添加液体水,对船舶在不同的航速时需要对i n le t-wa t e r速度进行相应的设定,例如当船舶的航速在1 2 k not s时,将i n l e t - w a t e r 速度设定为6.1733m/s2,如果要研究船舶处于空气和水两种介质中的阻力,要使用VOF 模型,并追踪空气、水二相流的自由液面,在静水面划分不同介质的流域,即静水面以上为空气部分,静水面以下为液体水部分,对船舶航行的阻力进行计算,应保证船舶水线面与气液相界面保持一致.
2.2 模型的选择
本文分析船舶阻力时选择R NGk-ε模型和VOF 模型.要让RANS方程组封闭,降低数值模拟计算的复杂程度,需要用 k- ε 模型来计算雷诺应力,根据推广的Boussinesq的eddy v iscosit y关系：
式中的U,V,W 分别为速度变量u,v,w的时均量,方程中的5个常数为：Cμ等于0.09,σk等于1.00,σε等于1.30,C1ε等于1.44,C2ε等于1.9
VOF 方法采用了流体体积函数与流场的基本数学模型结合,从而避免采用相对复杂Ma r k e r点的方法.在每一个网格中,将一种流体的体积所占网格体积的分数将其称为流体体积函数.将网格中全部含有这种流体时称之为“满”网格,包含相界面时的网格称之为“半”网格,网格中不含有这种流体时称之为“空”网格.所以,可以通过流体体积函数值构造运动界面,并在它附近进行精细处理,可提高精度.
3.模拟结果与试验结果对比
3.1满载时船舶在不同吃水差下的静水阻力
计算船舶在不同吃水差下静水的阻力,在水面以下船体的几何形状、船体的湿面积以及水线长度都不相同.本文定义吃水差为df－da,即吃水差为正值时表示船舶处于艏倾状态,吃水差为负值时表示船舶处于艉倾状态,在育明轮在满载即吃水11 米、速度1 2 k n o t s时,分别www.zjsyzz.com / 75计算-1.4米、-0.37米、-0.2米、0米、+ 0.5米和+1米六种不同吃水差下的阻力.对于计算出的阻力主要用于分析船舶在改变吃水差前后的阻力变化,为了更明显的反映阻力变化需引入阻力增减比,即：
增减比等于（吃水差改变后的阻力－平吃水的阻力）/平吃水的阻力×100%
当育明轮在航行时,其艏艉处的存在压强差以及艉部的回流会产生船舶阻力,阻力主要存在于船艏部分,并且船艉处的受力方向和船艏的受力方向相反.通过计算,得出的阻力如表1.
为了可以明显的观察满载状态速度1 2 k not s时不同吃水差下的两相流中的阻力变化,作出图2.
当满载速度为1 2 k n o t s、满载状态时,育明轮在艏倾和较大的艉倾下都会使船舶的静水阻力增加,在一定的艉倾状态下可以降低船舶阻力,当吃水差为- 0.2米时,船舶的阻力最小,相比于平吃水时阻力可减少4.79%.
3.2满载时吃水差变化下的主机油耗
通过安装在育明轮上的船舶能效监控系统测出船舶在不同吃水差下主机每海里的油耗,为了更明显的反应不同吃水差下主机每海里的燃油消耗量的变化,用燃油消耗量增减比来表示,即：
增减比等于（吃水差改变后主机燃油消耗量-平吃水主机燃油消耗量）/平吃水主机燃油消耗量×100%当育明轮的速度为1 2 k not s、满载状态下,- 1 . 4 米、- 0 . 3 7 米、-0. 2 米、0米、+ 0. 5米和+1米六种不同吃水差下消耗的燃油量具体数据如表2：
为了更能明显的看出不同吃水差下的主机每海里油耗的变化,作出图3：由此可知,育明轮在艏倾时,主机每海里的油耗量比平吃水主机每海里油耗量都有所增加,能效营运水平都比平吃水时低,在较大的艉倾即吃水差为-1.4米时,主机每海里油耗量与平吃水相比有很大的增加,能效运营水平显著降低,在比较小的艉倾下,其运营能效水平有所提高,尤其在吃水差为- 0. 2 米时主机每海里的油耗量最小,能效营运水平最高.
4．结论与展望
调整船舶首尾的吃水使其在不同的吃水差下航行是一个综合性的问题,首先考虑船舶的稳性、强度等保证船舶能安全航行,然后再考虑船舶的营运能效水平.本文以上海海事大学教学实习船——育明轮为研究对象,通过仿真与试验结合,利用FLUENT软件对船舶在不同吃水差下的静水阻力、空气与水两相流中的阻力进行了数值计算,并与船舶能效监控系统在同种工况实测的油耗数据进行对比,得出当育明轮在满载即吃水为11米、航速12节时航行,吃水差为-1.4米、- 0.37米、- 0.2米、0 米、0.5米和1 米六种浮态中,吃水差为- 0.2米时的两相流中的阻力和船舶主机每海里油耗量最小,能效营运水平最高.另外还需进一步对其他工况进行研究,从而能够为实船航行提供全面的数据,使船舶在各个工况下都能在最佳吃水差下航行,实现节能减排.
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