臺灣博碩士論文加值系統

潛艦的研發設計與整個服役過程中，逃生與救援一直是一項備受討論、高度重視的課題。集體自主逃生球體作為一種具備高度主動性的逃生裝置，過程中可以保護人員的安全，即時有效地提高失事潛艦人員的自救能力。本研究主要的目標是利用計算流體動力學(CFD)的方法，模擬潛艦逃生球體的上浮運動過程，進而能建立此類設計的分析評估工具。在上浮過程中，物體的運動是由流場流體對其施加的壓力、剪切力等所造成的，必然涉及力和力矩的計算問題。本研究採用求解RANS方程的CFD計算軟體Fluent，並充份利用其提供的6DOF模組，以及動網格技術，以模擬逃生球體的上浮運動軌跡。本研究計算分析的逃生球體參考德國IKL/HDW的設計來進行，藉由建立一系列設計參數模型，包含重心高度、推頂速度、變更材料設計以及海流速度，計算比較逃生球體運動特性方面的差異，找出其中影響逃生球體總體性能的關鍵因素，進而提供往後做為設計最佳逃生球體之用。

During the research, design, and entire service process of submarines, the issue of escape and rescue has always been highly discussed and greatly emphasized. The group independent escape sphere serves as a highly proactive escape device that can protect personnel safety and effectively enhance the self-rescue capability of submariners in distress. The main objective of this study is to utilize Computational Fluid Dynamics (CFD) methods to simulate the ascent motion of the submarine escape sphere, thereby establishing an analytical and evaluation tool for such designs. During the ascent process, the motion of the object is determined by the pressure and shear forces exerted by the fluid flow, necessitating the calculation of forces and moments. This study employs Fluent, a CFD software that solves the Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) equations. The study also fully utilizes its 6DOF module and dynamic mesh technology to simulate the ascent trajectory of the escape sphere. The design of the analyzed escape sphere in this study references the IKL/HDW design from Germany. By establishing a series of design parameter models, including the center of gravity height, initial velocity, material design modifications, and sea current velocity, the study compares and analyzes the differences in the motion characteristics of the escape sphere. This study aims to identify the key factors that affect the overall performance of the escape sphere and provide guidance for the design of the best escape sphere in the future.

目錄
摘 要 II
Abstract III
致謝 IV
目錄 V
圖目錄 VII
表目錄 IX
符號表 X
壹、緒論 1
一、研究動機 1
二、文獻回顧 2
三、研究方法 8
四、本文架構 9
貳、數值方法 10
一、統御方程式 10
（一）質量守恆方程式 10
（二）動量守恆方程式 10
二、數值模擬方法 12
（一）有限體積法 12
（二）空間離散方法 12
（三）數值擴散 12
（四）庫朗數 13
三、網格構建 14
（一）網格劃分 14
（二）網格品質 15
四、動網格及6DOF求解器 16
（一）6DOF求解器 16
（二）網格更新 18
（三）重疊網格 19
五、紊流模擬 20
（一）模擬方法 20
（二）RANS方程式 21
（三）紊流模型 22
（四）近壁面區 25
六、多相流模型 29
七、流場求解方法 30
八、網格獨立性 31
參、物理方程式 33
一、剛體運動方程式 33
二、阻力係數 34
三、穩定度 36
肆、模擬配置 37
一、計算例逃生球體 37
二、計算條件 41
三、計算流場及邊界條件 43
四、網格構建 47
五、Fluent求解設置 49
伍、結果與探討 51
一、獨立性分析 51
（一）網格獨立性 51
（二）空間獨立性 53
二、模擬結果分析 56
（一）推頂速度之影響分析 56
（二）重心高度之影響分析 61
（三）材料變更之影響分析 65
（四）海流速度之影響分析 67
三、阻力係數分析 72
四、穩度分析 73
五、硬體設備與計算時間 74
陸、結論與未來展望 75
參考文獻 76


圖目錄
圖 1　潛艦逃生救援方式與其設備[4] 2
圖 2　德國U206潛艦進行高壓氣體緊急吹排上浮[5] 3
圖 3　SEIE逃生服[7] 4
圖 4　HABETAS逃生設備[6] 4
圖 5　背駝於母艦的DSRV [9] 4
圖 6　(A)209/1500型潛艦；(B)GABLER逃生球漂於水面[10] 5
圖 7　具主動式逃生設備潛艇所需維生設施[2] 6
圖 8　具DSRV救援系統潛艦所需維生設施[2] 6
圖 9　筒形逃生艙外型示意圖[18] 7
圖 10　(A)結構性網格示意圖；(B)非結構性網格示意圖[26] 14
圖 11　自身坐標系與慣性坐標系[28] 18
圖 12　重疊網格建構示意圖 19
圖 13　紊流邊界層之分層[33] 26
圖 14　近壁處理方法[21] 27
圖 15　主動式可上浮逃生球體設備[11] 37
圖 16　逃生球體[11] 37
圖 17　計算例逃生球體外型及尺寸 38
圖 18　計算例逃生球體側視圖 38
圖 19　計算例逃生球體之周圍流場分割 39
圖 20　逃生球體釋放後上浮過程示意圖 42
圖 21　(A)流場範圍正視圖；(B)流場範圍側視圖 43
圖 22 左側入流之加寬型流場範圍正視圖 44
圖 23　右側入流之加寬型流場範圍正視圖 45
圖 24 左側入流之再加寬流場範圍正視圖 46
圖 25　案例12不同網格尺寸的運動歷程 52
圖 26　基本型流場擴展示意圖 53
圖 27　案例3運動軌跡比較 54
圖 28　案例3橫搖運動比較 55
圖 29　推頂速度3M/S之上浮運動軌跡(CASE1) 57
圖 30　三維計算所得上浮瞬時速度(CASE1) 57
圖 31　(A)30秒時之渦量側視圖；(B)上浮運動軌跡側視圖 58
圖 32　推頂速度3M/S之上浮運動軌跡(CASE2) 59
圖 33　推頂速度6M/S之上浮運動軌跡(CASE3) 60
圖 34　重心高度1.350M之上浮運動軌跡(CASE4) 62
圖 35　重心高度1.384M之上浮運動軌跡(CASE5) 63
圖 36　重心高度1.399M之上浮運動軌跡(CASE6) 64
圖 37　材料變更之上浮運動軌跡(CASE7) 66
圖 38　材料變更且重心高度1.384M之上浮運動軌跡(CASE8) 67
圖 39　海流流速-1M/S之上浮運動軌跡(CASE9) 68
圖 40　海流流速1M/S之上浮運動軌跡(CASE10) 69
圖 41　海流流速3M/S之上浮運動軌跡(CASE11) 70
圖 42　海流流速1M/S且重心高度1.226M之上浮運動軌跡(CASE12) 71

 
表目錄
表 1　SKEWNESS值所表示之網格品質[21] 15
表 2　ORTHOGONAL值所表示之網格品質[21] 15
表 3　計算例逃生球體之基本設定 39
表 4　計算模擬案例之條件 41
表 5　網格獨立性驗證之網格數量 47
表 6　各計算例之網格數量 47
表 7　網格品質檢查 48
表 8　流體屬性 49
表 9　紊流模型參數 49
表 10　離散方法 49
表 11　網格獨立性結果 52
表 12　逃生球體材料變更之基本設定 65
表 13　逃生球體之阻力係數計算 72
表 14　逃生球體浮於水面之靜穩度計算 73
表 15　逃生球體潛於水中之靜穩度計算 73
表 16　計算使用之電腦硬體規格 74
表 17　模擬花費計算時間 74

1.張博超、施立宏、林弘杰，2023，潛艦自主逃生球體上浮過程運動計算模擬，第三十五屆中國造船暨輪機工程研討會暨國科會成果發表會，桃園，6月17日。
2.張博超，2020，潛艦逃生與救援系統探討與建制規劃初探，科技部補助專題研究計畫報告(編號：MOST 108-2218-E-992-317-026)，國立高雄科技大學造船及海洋工程系。
3.蔡柔安，2021，歷年潛艦事故與潛艦逃生救援現況之探討，國立高雄科技大學造船及海洋工程系，碩士論文。
4.Howaldtswerke-Deutsche Werft, HABETaS® An unrivalled rescue solution for submariners, ThyssenKrupp Marine Systems GmbH.
5.Gabler, Ulrich, 1996, Unterseebootbau, Bernard & Graefe Verlag, Bonn, Germany.
6.ThyssenKrupp Marine System, 2013, HABETaS-An Innovative Rescue System for Submarine Crews, Defence Procurement International, Defence Procurement International Ltd..
7.Stewart, Nick, 2008, Submarine escape and rescue: a brief history, Journal of Military and Veterans’ Health, vol. 17, no. 1, pp. 27-28, Australian Military Medicine Association, October.
8.Maritime DC & PPE Information Center, Retrieved from https://dcfpnavymil.org/.
9.Koh Hock Seng, Chew Yixin, Ng Xinyun, 2010, Submarine Rescue Capability and its Challenges, DSTA HORIZONS, no. 6, pp. 4-15, Defence Science and Technology Agency, June.
10.LaPenna, Joshua J., 2009, Surfacing Rescue Container Concept Design for Trident Submarines, Massachusetts Institute of Technology, Master thesis.
11.Abels, F., 1984, Die Aufstiegskugel als Rettungssystem fuer Unterseeboote, Jahrbuch der Schiffbautechnischen Gesellschaft 78, Schiffbautechnischen Gesellschaft.
12.Abels, F., Niessen, E., 1984, Das druckfeste Schott im U-Boot, Sonderdruck aus Schiff & Hafen, vol.36, no.3, pp. 32-37, Helften 1 bis, March.
13.Lei Zhang, Shiyao Lin, Chizhong Wang, De Xie, Jianglong Sun, 2017, A direct analysis approach for ejection problem of the independent escape capsule, Ocean Engineering 145, pp. 95-111, Elsevier, November.
14.黄祥兵、黄兴玲、董云飞，2013，潜艇集体逃生舱上浮水动力性能，海军工程大学学报， 25卷， 3期，頁216~219，海军工程大学，6月。
15.张元盛，2006，集体救生球技术研究，华中科技大学，硕士论文。
16.余小平，2006，逃生舱装艇技术之研究，武汉理工大学，硕士论文。
17.茅云生，2006，集体逃生舱總体性能之研究，武汉理工大学，硕士论文。
18.孙斌、黄祥兵，2020，潜艇大型集体逃生舱上浮速度控制仿真计算，中国舰船研究，15卷， S1期，頁43~51，海军工程大学舰船与海洋学院，12月。
19.Tadd T. Truscott, Brenden P. Epps, and Randy H. Munns, 2016, Water exit dynamics of buoyant spheres, Physical Review Fluids, vol. 1, American Physical Society, November.
20.H. K. Versteeg, W. Malalasekera, 2007, An introduction to computational fluid dynamics: the finite volume method, Pearson education, Harlow, England.
21.ANSYS, Inc., 2022, Ansys Fluent Theory Guide, Release 2022 R2.
22.A. Warey, T. Han, S. Kaushik, 2021, Inverstigation of Numerical Diffusion in Aerodynamic Flow Simulations with Physic Informed Neural Networks.
23.V.michalcová, K. Kotrasová, 2020, The numerical diffusion effect on the cfd simulation accuracy of velocity and temperature field for the application of sustainable architecture methodology, Sustainability, vol. 12, no. 23, pp. 10173, MDPI, December.
24.余健明，2016，應用計算流體力學方法探討潛體流體動力係數及操縱性能之研究，國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系，碩士論文。
25.Courant, R., Friedrichs, K., Lewy, H., 1928, Über die partiellen Differenzengleichungen der mathematischen Physik, Mathematische Annalen, vol. 100, no. 1, pp. 32-74, Springer New York, Germany, December.
26.孫幫成，李明高，2014，ANSYS FLUENT 14.0 仿真分析與優化設計，機械工業出版社，北京。
27.Sandoval, P., Cornejo, P., & Tinapp, F., 2015, Evaluating the longitudinal stability of an UAV using a CFD-6DOF model, Aerospace Science and Technology, vol. 43, pp. 463-470, Elsevier, June.
28.张杨，2019，Fluent 动网格05：6 DOF模型，安世亚太科技股份有限公司。
29.录十六，2016，3D中的平移和缩放变换，檢自http://blog.lu16.com/?id=25。
30.ANSYS, Inc., 2022, Ansys Fluent User’s Guide, Release 2022 R2.
31.Ansys, ANSYS in Action-Overset Mesh, Retrieved from https://www.youtube.com/watch?v=_Cryhe7L3uw&ab_channel=Ansys.
32.Cimbala, John M., Yunus A. Cengel, 2020, Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications, McGraw-Hill Education, New York.
33.Darvish, Manoochehr, 2015, Numerical and experimental investigations of the noise and performance characteristics of a radial fan with forward-curved blades, Technische Universität Berlin, PhD dissertation.
34.Hirt, C.W., Nichols, B.D., 1981, Volume of fluid (VOF) method for the dynamics of free boundaries, Journal of Computational Physics, vol. 39, no. 1, pp. 201-225, Elsevier, January.
35.Patankar, S.V., Spalding, D.B., 1972, A Calculation Procedure for Heat, Mass and Momentum Transfer in Three-Dimensional Parabolic Flows, International Journal of Heat and Mass Transfer, vol. 15, no. 10, pp. 1787-1806, Elsevier, October.
36.P. J. Boache, 1994, Perspective: A Method for Uniform Reporting of Grid Refinement Studies, ASME Journal of Fluids Engineering, vol. 116, no 3, pp 405-413, The American Society of Mechanical Engineers, September.
37.ITTC, 2002, Recommended Procedures Resistance Uncertainty Analysis, Example for Resistance Test, 23th International Towing Tank Conference, Venice, Italia, September, pp. 2.
38.Stern F, Wilson R, Shao J., 2006, Quantitative V&V of CFD simulations and certification of CFD codes, International Journal for Numerical Method in Fluids, vol. 50, no. 11, pp. 1335-1355, John Wiley & Sons, Ltd., November.
39.ITTC, 2008, Recommended Procedures and Guidelines Uncertainty Analysis in CFD Verification and Validation Methodology and Procedures, 24th International Towing Tank Conference, Edinburgh, UK, September, pp. 1-13.
40.康振，國立編譯館，2013，實用造船學，大中國圖書公司，新北。