基于重叠网格技术数值模拟船舶纯摇首运动

该文采用基于非定常RANS方程的黏性数值模拟方法,对标准船模DTMB5512裸船体在平面运动机构(PMM)控制作用下的纯摇首运动进行了数值模拟。文中数值计算采用基于开源CFD工具包Open FOAM和重叠网格技术开发的多功能水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU。根据SIMMAN2014提供的标准算例,对同一运动频率下,在Fn=0.28工况下的3种不同运动幅值的纯摇首运动进行了数值计算,得出了船舶不同工况下的阻力、侧向力和转首力矩的历时曲线。并且根据操纵性数学模型(MMG)推导出相应的水动力导数值,所有计算结果同模型试验数据吻合较好,验证了采用当前处理方法数值求解纯摇首运动的可靠性。     

DTC在斜浪作用下船舶漂移力的计算

船舶在波浪中行驶时,船体会在波浪力的作用下改变原有的航向。为了估计波浪对船舶操纵性能的影响,该文对波浪作用下的DTC(Duisburg Test Case)船模进行了计算,对船舶受到的平均波浪力进行了分析并与试验进行了对比。计算基于自主开发的naoe-FOAM-SJTU求解器,利用VOF(Volume of Fluid)方法对自由液面求解,利用重叠网格技术和六自由度运动模块对船舶的波浪运动响应进行了计算,利用waves2Foam开源程序对数值波浪进行模拟。计算结果显示,波浪平均漂移力的计算结果与试验结果吻合良好,波浪频率对船体受力及运动起主导作用。同时计算也捕捉到了波浪对船体的强烈砰击作用。该文实现了对波浪漂移力的精确模拟,为进行船舶在波浪中的运动计算模拟及分析提供了支持。     

三维溃坝波绕方柱剧烈流动的数值模拟

该文采用自主开发的非定常黏性流动问题求解器naoe-FOAM-SJTU,对三维溃坝波和直立方柱相互作用问题进行数值模拟.求解器naoe-FOAM-SJTU是基于开源代码OpenFOAM的数据结构、工具箱和基本流场求解器,专门面向研究船舶与海洋工程水动力学问题而开发的数值计算程序,它可以模拟三维波与物体相互作用等复杂问题,能够较精确的模拟波浪破碎、翻卷等复杂自由面演化过程.计算结果给出了三维溃坝波的演化过程,包括溃坝波和直立方柱相互作用过程中的波面爬高、破碎及翻卷现象,给出了方柱附近的涡流场;并分析了流体黏性效应的影响,得到了直立方柱受溃坝波拍击作用的水动力时间演化过程图,计算结果与实验数据吻合较好.计算结果表明,采用naoe-FOAM-SJTU求解器可以有效地模拟有复杂波面演化的剧烈流动问题,较准确地预报波浪在结构物上的爬高和拍击力.     

流体黏性对迎浪航行船舶运动和波浪增阻的影响

对在规则波中迎浪航行的大型油轮KVLCC2船模,为了研究流体黏性对船舶运动和水动力的影响,分别采用求解RANS方程和求解欧拉方程的方法,应用CFD软件STAR-CCM+对黏性流场和无黏流场进行了数值模拟。采用GCI方法对数值不确定度进行了分析,验证了数值方法的有效性;采用湍流模型和无黏流模型对船舶在一系列波长的波浪中的运动和水动力进行了数值预报,并将数值结果与现有实验数据进行了比较。结果表明,流体黏性对船舶运动影响很小,对共振状态附近的波浪增阻有一定的影响。总体上,对船舶迎浪航行流场的数值模拟,忽略黏性能保证一定的计算精度而提高计算效率。     

船舶航行兴波CFD模拟的代数型VOF方法研究

作为一种能处理复杂运动界面且具有物理守恒性的算法，VOF (volume of fluid)方法广泛应用于船舶水动力学CFD (computational fluid dynamics)模拟。该文面向船舶航行兴波这一典型且常见的运动界面流动问题，针对网格适应性更好的代数型VOF方法开展研究。该文首先介绍了CICSAM(compressive interface capturing scheme for arbitrary meshes)、HRIC (high resolution interface capturing)和Fromm三种典型的代数型VOF格式，随后采用二维Zalesak算例对几种格式进行了测试；根据对测试结果的分析，对耗散性较强的HRIC格式进行了优化，并得到了Zalesak算例、剪切流场、旋转流场和平移流场下测试结果的验证；最后开展了Wigley船型和KCS船模航行兴波的CFD模拟。经过对Wigley船航行兴波和舷侧波形CFD模拟结果及与模型试验结果的对比分析，结果表明：优化的HRIC格式总体上表现最优，Fromm格式次之，CICSAM格式又次之，HRIC格式模拟结果...     

基于MPC的船舶横摇运动控制方法研究

船舶在恶劣海况下会产生大幅横摇运动，严重影响船舶航行安全。如果能对船舶运动趋势进行预测，并采取一定措施进行减摇控制，将大幅提升船舶安全性。该文基于AQWA软件计算船舶运动响应，利用系统识别对波浪的记忆效应进行近似估计，结合横风横浪中单自由度横摇运动方程和船舶运动状态方程，采用模型预测控制(MPC)方法进行船舶横摇运动控制，进而达到减小横摇运动的目的。通过对标准船模5415在规则波和不规则波条件下的横摇运动及其控制模拟，结果表明：MPC方法可有效减小横摇运动幅值，可以很好地解决船舶横摇运动控制的非线性问题，因此该方法适用于船舶时域运动控制研究。该研究为横浪条件下多自由度船舶运动控制奠定了基础。     

自航船舶在首斜浪中航向保持的数值模拟

自航船舶在复杂海浪环境下的运动可以直接反映船舶的航向保持能力。该文借助自主开发的船舶水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU,数值研究了自航船舶在首斜浪工况下的航向保持性能。数值计算中通过重叠网格技术结合多级物体运动模块实现船桨舵的复杂耦合运动求解,入射波浪通过自主开发的数值造波模块实现,并且开发了航向控制模块实现航向保持的数值模拟。通过计算得出了船舶在首斜浪工况下的六自由度运动、螺旋桨的推力和扭矩、舵角的历时曲线,以及船舶的运动轨迹。数值计算结果同东京2015 CFD研讨会上的模型试验数据吻合良好,验证了直接数值求解波浪中船舶航向保持问题的可靠性。同时,还给出了自航船舶在首斜浪中的自由面变化,以便进一步分析船舶在波浪下的航向保持问题。     

用大涡模拟方法数值模拟Spar平台涡激运动问题

该文采用基于开源代码计算流体力学工具包Open FOAM开发的船舶与海洋工程水动力学求解器naoeFOAM-SJTU,对一座Spar模型的硬舱部分进行了涡激运动的数值模拟。采用大涡模拟方法数值模拟了不同折合速度下Spar模型的涡激运动情况,并与Finnigan等[1,2]的模型试验结果作了对比和分析,证明了求解器naoe-FOAM-SJTU在模拟涡激运动方面的可靠性。     

水下潜器航行水动力导数CFD计算

良好的操纵性能,对于水下潜器顺利高效地执行任务至关重要。因此,在新型水下机器人的初步设计阶段,就应该对其操纵性能给与评估。精确计算水下机器人的水动力导数,是准确评价其操纵性能的关键。目前,计算水动力导数最流行的方法是船模实验法,但需要复杂的实验设备,且成本高并费大量时间,而采用数值模拟方法计算水动力导数就能克服上述缺点。本文基于开源CFD工具包Open FOAM开发的水动力学求解器naoe-FOAM-SJTU[1],采用SST-DES方法,对万米水下潜器(ARV)在不同漂角和攻角工况下,进行了数值斜航实验模拟。通过数值计算得到了作用在ARV上的水动力和力矩,回归得到相应的水动力导数值。为进一步根据潜艇六自由度运动方程,进行运动仿真模拟提供了基础。结果表明,对ARV进行数值模拟能够高效快速地计算ARV的水动力导数,进而对ARV的操纵性能进行预报,指导水下机器人的设计。     

二维甲板上浪问题数值模拟研究的新方法

甲板上浪问题一直是强非线性问题研究领域的热点,它是造成海洋浮式结构物损坏的重要因素.该文完整的阐述了用于研究甲板上浪问题的数值模拟解决方案,并对二维浮动物体的运动响应、甲板上浪进行了考察.模拟在二维数值波浪水池中完成,入射波由冲箱运动生成,水池远端采用海绵层吸收反射波浪,自由液面采用VOF方法捕捉,物体的运动为与波浪的耦合运动.最后将模拟得到的运动响应与试验进行了对比,同时对上浪载荷也进行了分析.