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研究生: 鄭依蘋
Cheng, I-Pin
論文名稱: U型水艙在橫搖狀態下的流場模擬與能量分析
The Flow Field Simulation and Energy Analysis in Rolling U-shaped Water Tank
指導教授: 林忠宏
Lin, Chung-Hung
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 系統及船舶機電工程學系
Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
論文出版年: 2016
畢業學年度: 104
語文別: 中文
論文頁數: 59
中文關鍵詞: U型水艙船體運動計算流體力學(CFD)質點影像測速(PIV)
外文關鍵詞: U-shaped water tank, ship motion, computational fluid dynamic(CFD), particle image velocimetry(PIV)
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  • 本研究為探討是否能從航行中之船隻回收能源,利用現今被廣泛利用的計算流體力學(Computational Fluid Dynamics,CFD)工具ANSYS fluent15.0進行流場模擬與分析,本研究設置三種水艙兩側截面積/水艙底部截面積比值不同的U型水艙模型安裝於簡諧晃蕩機構,以相同的運動狀態與載水量進行實驗,並同時以ANSYS fluent15.0模擬水艙流場。為了確認模擬的準確性,透過質點影像測速(Particle Image Velocimetry,PIV)的技術驗證模擬流場是否與實際流場符合。針對U型水艙在橫搖狀態下所產生的流場進行模擬與分析,透過模擬的結果取出流場速度的數據探討從流場中回收能源的可能性。模擬結果顯示,當水艙兩側截面積/水艙底部截面積比值較大時,則水艙底部流場速度也較大。對於實船上的水艙模擬的評估回收能量,本研究也設計一實船U型水艙,其寬為30m高為22m,兩側截面寬為5m,底部高度則取其一半高為2.5m,並以實際跨洋貨櫃輪在夏季航線的船體橫搖做為輸入的運動方程參數,在週期16.67秒,最大橫搖角度5度及載水量50%的環境下做模擬估計一分鐘內平均功率為2.5千瓦(kW)。

    This study discussed if there is probability to recycle the energy while ship is rolling, by using popular computational fluid dynamic (CFD) tool ANSYS fluent 15.0 nowadays to simulate the flow field. In the study, there were three different area ratio of U-shape water tank setting on a simple harmonic motion mechanism, and start moving in same motion, also simulated the flow filed of water tank in the same time. By the technology of particle image velocimetry (PIV) could prove whether the simulations were accurate. The velocity u of the flow field could help the discussion to the recycling energy from rolling ship. The results shown that when the area ratio were larger then the velocity u of flow filed were larger. About the real ship’s recycling energy probability, design a real size water tank of real ship in ANSYS fluent, and set the actual container vessels in the summer course in its hull motion, in period 16.67 second and maximum rolling angle 5 degree, has average power of 2.5 kilowatts in one minute.

    摘要 I EXTENDED ABSTRACT II 誌謝 VII 目錄 VIII 圖目錄 XI 表目錄 XV 第1章 緒論 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻回顧 1 1.2.1 計算流體力學 2 1.2.2 質點影像測速 3 1.3 本文架構 5 第2章 理論與數值計算方法 6 2.1 計算流體力學理論 6 2.1.1 連續方程式 6 2.1.2 動量方程式 6 2.1.3 紊流模型 7 2.1.4 流體體積法 8 2.2 數值離散方法 10 2.3 求解與收斂 11 2.4 質點影像測速法 12 2.5 能量分析方式 13 第3章 實驗儀器與設備 14 3.1 水艙橫搖實驗設備與軟體 14 3.1.1 晃蕩簡諧運動機構 14 3.1.2 伺服馬達設備介紹 16 3.1.3 伺服馬達控制介面 16 3.2 流場可視化系統 17 3.3 攝影設備 18 第4章 CFD與PIV軟體使用設定 19 4.1 ANSYS Fluent 15.0使用設定 19 4.1.1 幾何圖形之網格及邊界設定 20 4.1.2 水艙運動方程式設定 23 4.1.3 後處理設定 24 4.2 PIV軟體使用設定 24 第5章 流場模擬結果驗證與分析 29 5.1 水艙模型模擬設置與結果 29 5.2 水艙底部流場模擬結果驗證 34 5.2.1 振盪現象驗證 34 5.2.2 實際數據驗證 39 5.3 模擬水艙底部流體能量計算 47 5.4 設計實船模型之模擬結果與分析 49 第6章 結論與未來展望 56 參考文獻 58

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